c - 为什么在clone创建的线程中不能正确调用malloc/free API？

Question

为什么glibc的某些API(如函数malloc()、realloc()或free())不能被正确调用在系统调用克隆创建的线程中？

这里是我的代码，仅供测试:

int thread_func( void *arg )
{
    void *ptr = malloc( 4096 );

    printf( "tid=%d, ptr=%x\n", gettid(), ptr );
    sleep(1);

    if( ptr )
        free( ptr );

    return 0;
}


int main( int argc, char **argv )
{
    int i, m;
    void *stk;
    int stksz = 1024 * 128;
    int flag = CLONE_VM | CLONE _FILES | CLONE_FS | CLONE_SIGHAND;

    for( i=m=0; i < 100; i++ )
    {
        stk = malloc( stksz );

        if( !stk ) break;

        if( clone( thread_func, stk+stksz, flags, NULL, NULL, NULL, NULL ) != -1 )
            m++;
    }

    printf( "create %d thread\n", m );
    sleep(10);

    return 0;
}

测试结果:线程thread_func或主线程main会阻塞在malloc()或free() 功能随机。或者有时会导致 malloc() 或 free() 崩溃。

我认为可能是 malloc() 和 free() 需要某些 TLS 数据来区分每个线程。

有谁知道原因，可以使用什么解决方案来解决这个问题？

Answer 1

I think may be malloc() and free() need certain TLS data to distinguish every thread.

Glibc 的 malloc() 和 free() 不依赖于 TLS。它们使用互斥体来保护共享内存分配数据结构。为了减少对它们的争用，他们采用了一种策略，即使用独立的元数据和互斥体维护单独的内存分配区域。这记录在 their manual page 上.

在更正代码中的语法错误并虚拟化调用不存在的函数 gettid() 之后(请参阅问题的评论)，我能够产生段错误，但没有堵塞。也许您将程序的 10 秒休眠导致的退出延迟与阻塞混淆了。

除了可能与您未公开的 gettid() 实现相关的任何问题外，您的程序还包含两个语义错误，每个错误都会产生未定义的行为:

1. 正如我在评论中指出的那样，它传递了错误的子堆栈指针值。^*

2. 它在 thread_func() 中使用了错误的 printf() 指令来打印指针。指针值的指令是%p； %x 用于 unsigned int 类型的参数。

在我也更正了这些错误之后，程序始终为我运行完成。修改后的代码:

int thread_func(void *arg) {
    void *ptr = malloc(4096);

    // printf( "tid=%d, ptr=%x\n", gettid(), ptr );
    printf("tid=%d, ptr=%p\n", 1, ptr);
    sleep(1);

    if (ptr) {
        free(ptr);
    }

    return 0;
}

int main(int argc, char **argv) {
    int i, m;
    char *stk;  // Note: char * instead of void * to afford arithmetic
    int stksz = 1024 * 128;
    int flags = CLONE_VM | CLONE_FILES | CLONE_FS | CLONE_SIGHAND;

    for (i = m = 0; i < 100; i++) {
        stk = malloc( stksz );

        if( !stk ) break;

        if (clone(thread_func, stk + stksz - 1, flags, NULL, NULL, NULL, NULL ) != -1) {
            m++;
        }
    }

    printf("create %d thread\n", m);
    sleep(10);

    return 0;
}

然而，即便如此，一切仍不尽如人意:我在程序输出中看到了各种异常情况，尤其是在开头附近。

底线是，与您的断言相反，您没有创建任何线程，至少不是在 C 库识别的意义上。您只是在创建具有类似于线程行为的进程。这对于某些目的可能就足够了，但您不能依赖系统将此类进程与线程一样对待。

在 Linux 上，系统和标准库将识别的真正线程是 POSIX 线程，通过 pthread_create() 启动。 (我在这里注意到，修改您的程序以使用 pthread_create() 而不是 clone() 为我解决了输出异常问题。)您可以将标志和参数添加到您的 clone() 调用使生成的进程足够像 pthreads 的 Linux 实现一样有效地相同，但是为什么您会做这样的事情而不是首先使用真正的 pthreads？

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^* 该程序还在 void * 上执行指针运算，这是 C 不允许的。但是，GCC 接受它作为扩展，并且由于您的代码无论如何都是深度特定于 Linux 的，所以我只放了这个注释。