線程安全與可重入函數(shù)

1. 定義

   

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   (1).線程安全函數(shù):一般說來，一個(gè)函數(shù)被稱為線程安全的，當(dāng)它被多個(gè)并發(fā)線程反復(fù)調(diào)用時(shí)，它會(huì)一直產(chǎn)生正確的結(jié)果。

   (2).可重入：程序執(zhí)行到某個(gè)函數(shù)foo()時(shí)，收到信號(hào)，于是暫停目前正在執(zhí)行的函數(shù)，轉(zhuǎn)到信號(hào)處理函數(shù)，而這個(gè)信號(hào)處理函數(shù)的執(zhí)行過程中，又恰恰也會(huì)進(jìn)入到剛剛執(zhí)行的函數(shù)foo()，這樣便發(fā)生了所謂的重入。此時(shí)如果foo()能夠正確的運(yùn)行，而且處理完成后，之前暫停的foo()也能夠正確運(yùn)行，則說明它是可重入的。

   (3).拓展： 

   1).如果一個(gè)函數(shù)中用到了全局或靜態(tài)變量，那么它不是線程安全的，也不是可重入的； 

   2).如果我們對(duì)它加以改進(jìn)，在訪問全局或靜態(tài)變量時(shí)使用互斥量或信號(hào)量等方式加鎖，則可以使它變成線程安全的，但此時(shí)它仍然是不可重入的，因?yàn)橥ǔ＜渔i方式是針對(duì)不同線程的訪問，而對(duì)同一線程可能出現(xiàn)問題； 

   3).如果將函數(shù)中的全局或靜態(tài)變量去掉，改成函數(shù)參數(shù)等其他形式，則有可能使函數(shù)變成既線程安全，又可重入。

2. 聯(lián)系

   可重入函數(shù)是線程安全函數(shù)的一個(gè)真子集。即可重入函數(shù)是線程安全函數(shù)，但是反過來，線程安全函數(shù)未必是可重入函數(shù)。

3. 區(qū)別

   （1）解決問題：

   a.可重入函數(shù)要解決的問題是，不在函數(shù)內(nèi)部使用靜態(tài)或全局?jǐn)?shù)據(jù)，不返回靜態(tài)或全局?jǐn)?shù)據(jù)，也不調(diào)用不可重入函數(shù)。

   b.線程安全函數(shù)要解決的問題是，多個(gè)線程調(diào)用函數(shù)時(shí)訪問資源沖突。

   （2）確保措施

  a.確保線程安全的措施是：線程安全函數(shù)不使用共享數(shù)據(jù)（全局、靜態(tài)或堆）或者對(duì)共享數(shù)據(jù)實(shí)施同步機(jī)制保護(hù)。

  b.保障可重入的措施：不共享數(shù)據(jù)并且不調(diào)用不可重入函數(shù)。

    （1）不要使用static變量和全局變量，堅(jiān)持只用局部變量；

    （2）若必須訪問全局變量，利用互斥信號(hào)量來保護(hù)全局變量；

    （3）獲取得知哪些系統(tǒng)調(diào)用是可重入的，在多任務(wù)處理程序中都使用安全的系統(tǒng)調(diào)用；

    （4）不調(diào)用其它任何不可重入的函數(shù)；

    （5）謹(jǐn)慎使用堆棧malloc/new。

  （3）轉(zhuǎn)化

   函數(shù)如果使用靜態(tài)變量，通過加鎖后可以轉(zhuǎn)成線程安全函數(shù)，但仍然有可能不是可重入的，比如    strtok。strtok是既不可重入的，也不是線程安全的。加鎖的strtok不是可重入的，但線程安全。而    strtok_r既是可重入的，也是線程安全的。

  （4）在信號(hào)處理函數(shù)被調(diào)用

 a. 可重入與線程安全的區(qū)別體現(xiàn)在能否在信號(hào)處理函數(shù)中被調(diào)用的問題上，可重入函數(shù)在信號(hào)處理函數(shù)中可以被安全調(diào)用，因此同時(shí)也是異步信號(hào)安全函數(shù)；而線程安全函數(shù)不保證可以在信號(hào)處理函數(shù)中被安全調(diào)用，如果通過設(shè)置信號(hào)阻塞集合等方法保證一個(gè)非可重入函數(shù)不被信號(hào)中斷，那么它也是異步信號(hào)安全函數(shù)。

值得一提的是POSIX 1003.1的Syste m Interface缺省是線程安全的，但不是異步信號(hào)安全的。異步信號(hào)安全的需要明確表示，比如fork ()和signal()。

 b. 一個(gè)非可重入函數(shù)通常(盡管不是所有情況下)由它的外部接口和使用方法即可進(jìn)行判斷。例如：strtok()是非可重入的，因?yàn)樗趦?nèi)部存儲(chǔ)了被標(biāo)記分割的字符串；ctime()函數(shù)也是非可重入的，它返回一個(gè)指向靜態(tài)數(shù)據(jù)的指針，而該靜態(tài)數(shù)據(jù)在每次調(diào)用中都被覆蓋重寫。

 c. 線程安全只與函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有關(guān)，而不影響函數(shù)的外部接口。在C語(yǔ)言中，局部變量是在棧上分配的。因此，任何未使用靜態(tài)數(shù)據(jù)或其他共享資源的函數(shù)都是線程安全的。一個(gè)線程安全的函數(shù)通過加鎖的方式來實(shí)現(xiàn)多線程對(duì)共享數(shù)據(jù)的安全訪問。

4. 函數(shù)的線程不安全與不可重入的原因

（1）任何線程不安全問題的根源都是“共享數(shù)據(jù)”。所以，不使用任何共享數(shù)據(jù)的函數(shù)（即：可重入函  數(shù)）肯定是線程安全的。

（2）不可重入函數(shù)的原因在于：

 a. 已知它們使用靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 b. 它們調(diào)用malloc和free.
 因?yàn)閙alloc通常會(huì)為所分配的存儲(chǔ)區(qū)維護(hù)一個(gè)鏈接表，而插入執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)的時(shí)候，進(jìn)程可能正  在修改此鏈接表。
 c. 它們是標(biāo)準(zhǔn)IO函數(shù).
 因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)IO庫(kù)的很多實(shí)現(xiàn)都使用了全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（3）線程安全函數(shù)不一定是可重入函數(shù)，因?yàn)榧词褂芯€程有共享數(shù)據(jù)，線程被并發(fā)調(diào)用的時(shí)候也可以使  其結(jié)果正確--通過同步操作保證正確性。 

共享數(shù)據(jù)可以是：

1. 函數(shù)把返回結(jié)果放到一個(gè)公共的位置

2. 由調(diào)用者傳入的線程間共享的指針變量或者引用變量

3. 函數(shù)內(nèi)部本來就會(huì)使用的共享靜態(tài)變量

4. 補(bǔ)充

（1）常見的不可重入函數(shù)有：
printf --------引用全局變量stdout
malloc --------全局內(nèi)存分配表
free    --------全局內(nèi)存分配表

（2）不可重入的解決方舉例（printf）

例如，程序正在調(diào)用printf輸出，但是在調(diào)用printf時(shí)，出現(xiàn)了信號(hào)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)也有printf語(yǔ)句，就會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)printf的輸出混雜在一起。
如果是給printf加鎖的話，同樣是上面的情況就會(huì)導(dǎo)致死鎖。對(duì)于這種情況，采用的方法一般是在特定的區(qū)域屏蔽一定的信號(hào)。
屏蔽信號(hào)的方法：
1> signal(SIGPIPE, SIG_IGN); //忽略一些信號(hào)
2> sigprocmask()
sigprocmask只為單線程定義的
3> pthread_sigmask()
pthread_sigmasks可以在多線程中使用

新聞名稱：線程安全與可重入函數(shù)
文章路徑：http://muchs.cn/article24/iejsce.html

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