`fprintf(stdout, ...)` 和 `fprintf(stderr, ...)` 在多线程环境下是否保证不交错输出？

Question

假设我有两个线程，它们要么向stderr，要么向stdout打印一些东西（相对较长）。这两个流的函数是线程安全的吗？也就是说，它们永远不会"交错"字符吗？例如，如果我有"Hello, World"，我永远不会得到"HHellllo，WorldWorld"或任何其他交错的结果吗？这适用于x86、GCC、Linux > 3.0。

- Dervin Thunk

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可能是重复的问题：在同时运行的线程中调用printf是否线程安全？ - Jens Gustedt

@JensGustedt：我看到了，但是它没有回答stderr和stdout是否都是线程安全的问题。我在某个地方读到过stderr不是线程安全的，我需要确认一下。 - Dervin Thunk

可能是stdout thread-safe in C on Linux?的重复问题。 - Kate Gregory

@DervinThunk 使用仅限书面语言的沟通方式存在挑战。多年前，我学到了如果人们无法从我的写作中理解我的意思，那么我需要更清晰地表达，而不是因为他们误读而责备他们。如果您希望每个人都知道您的问题很特别且与众不同，请明确说明。您也会得到更好的答案。一个简单的“我知道 xyz，我已经阅读了[链接到其他问题]，我正在询问 abc”通常就可以解决问题。 - Kate Gregory

Answer 1

我看了glibc，每次调用vfprintf都会在流上调用POSIX flockfile (_IO_flockfile) 和 funlockfile (_IO_funlockfile)。

因此，在一次调用中的字符不会与来自另一个线程的调用中的字符交错，因为只有一个线程可以持有stdout或stderr上的锁。

尽管如此，多个线程之间的多次调用顺序是不确定的。

- Drew MacInnis

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好的，这就是我期望的答案。我同意在不同线程中排序存在问题。有人对这个答案有疑问吗？ - Dervin Thunk

此外，C2011支持线程，并且对于单个调用跨线程锁定单个I/O通道的等效事项也有说明。然而，标准并未说明如果一个线程在stdout上写入，而另一个线程在stderr上写入会发生什么；由于并发执行，这些输出可能会在屏幕上交错显示。 - Jonathan Leffler

@JonathanLeffler 关于“如果一个线程在标准输出上写入，而另一个线程在标准错误上写入会发生什么”的问题：是否有可能将stdout路由到屏幕1，将stderr路由到屏幕2？ - pmor

Answer 2

不行。即使在单线程程序中，由于不同的缓冲规则，你也可能会出现交错情况。默认情况下，stdout是按行缓冲的，而stderr是不带缓冲的。您可以通过以下方式使它们都不带缓冲：

   setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0)

另请参阅Linux下C语言中的线程安全输出stdout?，特别是R.的答案。还有Jonathan Leffler的评论。

编辑：默认情况下，标准输出(stdout)将在每行末尾或缓冲区已满时进行fflush操作。后一种情况可能发生在一行的中间。然后，如果stdout和stderr都具有相同的底层文件描述符，则输出fprintf(stderr,...可插入到一行的中间。

但情况可能更糟。通常，您希望将stderr和stdout同时重定向到文件或管道。我的系统上setbuf(3)的手册页面指出：

如果流引用终端（正如stdout通常所做的那样），则它是行缓冲的。标准错误流stderr默认始终是无缓冲的。

因此，在这种情况下，stdout变为块缓冲，并且实际上似乎每个输出到stderr都与stdout的输出交织在一起。这可以通过添加以下内容来缓解：

   setlinebuf(stdout);

或者通过使标准输出无缓冲。

- Joseph Quinsey

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单线程代码中，你会得到什么交错效果？一个 printf 完成写入后，另一个 printf 才会开始。抱歉，我不理解你的意思。 - Dervin Thunk

默认情况下，stdout 会在每行结束时或者缓冲区满时进行 fflush 操作。后一种情况可能会发生在一行的中间。然后，如果 stdout 和 stderr 具有相同的底层文件描述符，则输出 fprintf(stderr,... 可能会插入到一行的中间。 - Joseph Quinsey

请参考Jonathan Leffler在https://dev59.com/P2nWa4cB1Zd3GeqP4tmF#12989477的评论。 - Joseph Quinsey