Linux — 线程安全和可重入函数

墨蓝 2022-06-13 08:18 128阅读 0赞

# 线程安全和可重入函数 #

线程安全：一个函数被称为线程安全的（thread-safe），当且仅当被多个并发进程反复调用时，它会一直产生正确的结果。如果一个函数不是线程安全的，我们就说它是线程不安全的（thread-unsafe）。我们定义四类（有相交的）线程不安全函数。

### 第1类：不保护共享变量的函数 ###

将这类线程不安全函数变为线程安全的，相对比较容易：利用像P和V操作这样的同步操作来保护共享变量。这个方法的优点是在调用程序中不需要做任何修改，缺点是同步操作将减慢程序的执行时间。

### 第2类：保持跨越多个调用的状态函数 ###

一个伪随机数生成器是这类不安全函数的简单例子。

unsigned int next = 1; 
    int rand(void)
    {
         next = next * 1103515245 + 12345;
         return (unsigned int) (next / 65536) % 32768;
    }
     
    void srand(unsigned int seed)
    {
          next = seed;
    }

rand函数是线程不安全的，因为当前调用的结果依赖于前次调用的中间结果。当我们调用srand为rand设置了一个种子后，我们反复从一个单线程中调用rand，我们能够预期一个可重复的随机数字序列。但是，如果有多个线程同时调用rand函数，这样的假设就不成立了。

使得rand函数变为线程安全的唯一方式是重写它，使得它不再使用任何静态数据，取而代之地依靠调用者在参数中传递状态信息。这样的缺点是，程序员现在要被迫改变调用程序的代码。

### 第3类：返回指向静态变量指针的函数 ###

某些函数（如gethostbyname）将计算结果放在静态结构中，并返回一个指向这个结构的指针。如果我们从并发线程中调用这些函数，那么将可能发生灾难，因为正在被一个线程使用的结果会被另一个线程悄悄地覆盖了。

有两种方法来处理这类线程不安全函数。一种是选择重写函数，使得调用者传递存放结果的结构地址。这就消除了所有共享数据，但是它要求程序员还要改写调用者的代码。

如果线程不安全函数是难以修改或不可修改的（例如，它是从一个库中链接过来的），那么另外一种选择就是使用lock-and-copy（加锁-拷贝）技术。这个概念将线程不安全函数与互斥锁联系起来。在每个调用位置，对互斥锁加锁，调用函数不安全函数，动态地为结果非配存储器，拷贝函数返回的结果到这个存储器位置，然后对互斥锁解锁。一个吸引人的变化是定义了一个线程安全的封装（wrapper）函数，它执行lock-and-copy，然后调用这个封转函数来取代所有线程不安全的函数。例如下面的gethostbyname的线程安全函数。

struct hostent* gethostbyname_ts(char* host)
    {
        struct hostent* shared, * unsharedp;
        unsharedp = Malloc(sizeof(struct hostent));
        P(&mutex)
        shared = gethostbyname(hostname);
        *unsharedp = * shared;
        V(&mutex);
        return unsharedp;
    }

### 第4类：调用线程不安全函数的函数 ###

如果函数f调用线程不安全函数g，那么f就是线程不安全的吗？不一定。如果g是类2类函数，即依赖于跨越多次调用的状态，那么f也是不安全的，而且除了重写g以外，没有什么办法。然而如果g是第1类或者第3类函数，那么只要用互斥锁保护调用位置和任何得到的共享数据，f可能仍然是线程安全的。比如上面的gethostbyname\_ts。

### 可重入函数 ###

可重入函数：可重入函数是线程安全函数的一种，其特点在于它们被多个线程调用时，不会引用任何共享数据。  
可重入函数通常要比不可重入的线程安全函数效率高一些，因为它们不需要同步操作。更进一步说，将第2类线程不安全函数转化为线程安全函数的唯一方法就是重写它，使之可重入。  
  
下面为rand函数的一个可重入版本

int rand_r(unsigned int* nextp)
    {
         *nextp = *nextp * 1103515245 + 12345;
          return (unsigned int) (*nextp / 65536) % 32768;
    }

显式可重入函数：如果所有函数的参数都是传值传递的（没有指针），并且所有的数据引用都是本地的自动栈变量（也就是说没有引用静态或全局变量），那么函数就是显示可重入的，也就是说不管如何调用，我们都可断言它是可重入的。

隐式可重入函数：可重入函数中的一些参数是引用传递（使用了指针），也就是说，在调用线程小心地传递指向非共享数据的指针时，它才是可重入的。例如rand\_r就是隐式可重入的。  
我们使用可重入（reentrant）来包括显式可重入函数和隐式可重入函数。然而，可重入性有时是调用者和被调用者共有的属性，并不只是被调用者单独的属性