在Linux上，C语言中的stdout是否是线程安全的？

Question

在Linux上，使用printf向标准输出(stdout)写入内容是否线程安全？使用底层的write命令呢？

- Claudiu

Answer 1

在C标准中并没有明确规定这一点，因为它取决于您所使用的C标准库实现。实际上，C标准甚至没有提及线程，因为某些系统（例如嵌入式系统）不支持多线程。

在GNU实现中（glibc），大多数与FILE*对象有关的高级stdio函数是线程安全的。那些不安全的函数通常在它们的名称中加有unlocked（例如getc_unlocked(3)）。但是，线程安全性在每个函数调用级别上：例如，如果您对printf(3)进行多次调用，则保证每个调用都会原子输出，但是其他线程可能会在您调用printf()之间打印东西。如果您想确保一个I/O调用序列被原子输出，您可以使用一对flockfile(3)/funlockfile(3)调用来锁定FILE句柄。请注意，这些函数是可重入的，因此您可以在它们之间安全地调用printf()，而且不会导致死锁，即使printf()本身调用了flockfile()。

诸如write(2)之类的低级I/O调用应该是线程安全的，但我不能完全确定 - write()会向内核发出系统调用以执行I/O。这样做的方式取决于您正在使用的内核。它可能是sysenter指令，也可能是旧系统上的int（中断）指令。一旦进入内核，内核就要确保I/O是线程安全的。在我刚刚对Darwin Kernel Version 8.11.1进行的测试中，write(2)似乎是线程安全的。

- Adam Rosenfield

---

这个答案忽略了问题标记为Unix/Linux。POSIX要求stdio是线程安全的，这很不幸，因为它会降低性能，并且没有实际的方法可以从多个线程操作同一个FILE（数据将混杂在一起；原子性仅在字符级别）。 - R.. GitHub STOP HELPING ICE

有时，如果输出是交错的，例如通过多个线程通过printf进行记录，这是完全可以接受的。 - nob

@couling 我认为他的意思是线程安全是无用的，因为所有东西都会交错在一起 - 除非你使用显式的f[un]lockfile。 - Adrian Ratnapala

我正在使用更新的内核和amd64 Linux。当我将setvbuf设置为_IONBF以用于stdout，并使用CLONE_VM调用clone()时，会导致子进程中的printf出现分段错误。即使手动为每个进程分配自己的缓冲区，问题仍然存在。我仍在努力追踪发生的内存重叠问题。这种情况发生与或没有CLONE_IO和/或CLONE_IO标志。 - sol

Answer 2

无论您如何定义"线程安全"，都取决于您的定义。 POSIX 要求 stdio 函数使用锁定，因此，如果您同时从多个线程使用 printf，您的程序将不会崩溃、损坏 FILE 对象状态等。但是，所有 stdio 操作都在重复调用 fgetc 和 fputc 的术语中正式指定，因此不存在较大规模的原子性保证。换句话说，如果线程 1 和 2 尝试同时打印 "Hello\n" 和 "Goodbye\n"，则不能保证输出是 "Hello\nGoodbye\n" 或 "Goodbye\nHello\n"。它可能是 "HGelolodboy\ne\n"。实际上，大多数实现将为整个高级写入调用获取单个锁，仅因为这样更有效率，但是您的程序不应假设如此。可能存在一些角落情况未执行此操作；例如，实现可以完全在无缓冲流上省略锁定。

编辑：有关原子性的上述文本是不正确的。POSIX 保证了所有 stdio 操作是原子的，但保证隐藏在 flockfile 的文档中：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/functions/flockfile.html

所有引用 (FILE *) 对象的函数应该表现得好像它们在内部使用 flockfile() 和 funlockfile() 来获取这些 (FILE *) 对象的所有权。

您可以使用 flockfile、ftrylockfile 和 funlockfile 函数自己实现大于单个函数调用的原子写入。

- R.. GitHub STOP HELPING ICE

Answer 3

从线程安全的角度来看，它们都能够保证当多个线程在同一个文件描述符上调用它们时，应用程序不会崩溃。但是，如果没有进行一些应用层面的锁定，那么写入的内容可能会交错。

- Dave Ray

Answer 4

自从这个问题被提出（并且上次回答）以来，C语言有了新的标准。

C11现在具有多线程支持，并解决了流的多线程行为：

§7.21.2 Streams

¶7 每个流都有一个关联锁，用于防止多个执行线程访问流时发生数据竞争，并限制多个线程执行的流操作的交错。一次只能有一个线程持有此锁。该锁是可重入的：单个线程可以同时多次持有锁。

¶8 所有读取、写入、定位或查询流位置的函数在访问之前会锁定流。当访问完成后，它们会释放与流相关联的锁。

因此，使用C11线程的实现必须保证使用printf是线程安全的。

我一开始并不清楚是否保证了原子性（即没有交错¹），因为标准中讲到的是“限制”交错，而不是“防止”，这与数据竞争的强制要求有所不同。

我倾向于认为它是得到了保证的。标准中讲到的是“限制”交错，因为某些不改变结果的交错仍然是允许的；例如，fwrite写入一些字节，fseek回到更多位置，然后再次fwrite直到原始偏移量，以便两个fwrite在一起。实现可以重新排序这两个fwrite并将它们合并成一个写操作。

---

1：请参考R的回答中的删除线文本示例。

- a3f

Answer 5

它是线程安全的；printf 应该是可重入的，您不会在程序中导致任何奇怪或损坏的情况。

您无法保证来自一个线程的输出不会从另一个线程的输出中间开始。如果您关心这一点，您需要开发自己的锁定输出代码以防止多次访问。

- Adam Hawes

---

所有对printf的调用都可能使用相同的缓冲区来构建字符串。 许多实现还在scanf和printf之间共享缓冲区，这可能会导致一些奇怪的依赖于调试的错误。 - Martin Beckett

我不知道其他人怎么做，但是 GNU C 库默认情况下是线程安全的，所以它不会使用相同的缓冲区。 - Adam Hawes

我认为printf不是可重入的，请参见https://dev59.com/QG865IYBdhLWcg3wLrlE。 - Yu Hao