可重入函数与线程安全的区别及联系

可重入函数




main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步,刚做完 第一步的 时候,因为硬件中断使进程切换到内核,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于 是切换 到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节 点node2,插入操作的 两步都做完之后从sighandler返回内核态,再次回到用户态就从 main函数调用的insert函数中继续 往下执行,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二 步。结果是,main函数和sighandler先后 向链表中插入两个节点,而最后只有一个节点真 正插入链表中了。
insert函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次 进入该函 数,这称为重入,insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样 的函数称为 不可重入函数,反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入 (Reentrant) 函数。
可重入，并不一定要是多线程的。可重入只关注一个结果可再现性。在APUE中，可函数可重入的概念最先是在讲signal的handler的时候提出的。此时进程(线程)正在执行函数fun()，在函数fun()还未执行完的时候，突然进程接收到一个信号sig, 此时，需要暂停执行fun(),要转而执行sig信号的处理函数sig_handler()，那么，如果在sig_handler()中，也恰好调用了函数fun().信号的处理是以软终端的形式进行的，那么，当sig_handler()执行完返回之后，CPU会继续从fun()被打断的地方往下执行。这里讲的比较特殊，最好的情况是，进程中调用了fun()，函数，信号处理函数sig_handle()中也调用了fun()。如果fun()函数是可重入的，那么，多次调用fun()函数就具有可再现性。从而，两次调用fun()的结果是正确的预期结果。非可重入函数，则恰好相反。简而言之，可重入函数，描述的是函数被多次调用但是结果具有可再现性。如果fun()，中，使用了static变量、返回全局变量、调用非可重入函数等等，带有全局性的操作，都将会导致2次以上调用fun()的结果的不可再现性（当然，有些时候使用了static、全局变量等等，不一定导致调用结果不可再现性）。只要使调用结果具有可再现性，那么该函数就是可重入的。为了保证函数是可重入的，需要做到一下几点：1，不在函数内部使用静态或者全局数据2，不返回静态或者全局数据，所有的数据都由函数调用者提供3，使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据4， 如果必须访问全局数据，使用互斥锁来保护5，不调用不可重入函数重入函数的分类

可重入函数

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。线程安全
APUE中的描述：If a function can be safely called by multiple threads at the same time, we say that the function is thread-safe如果一个函数能够安全的同时被多个线程调用而得到正确的结果，那么，我们说这个函数是线程安全的。所谓安全，一切可能导致结果不正确的因素都是不安全的调用。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。线程安全，是针对多线程而言的。那么和可重入联系起来，我们可以断定，可重入函数必定是线程安全的，但是线程安全的，不一定是可重入的。不可重入函数，函数调用结果不具有可再现性，可以通过互斥锁等机制，使之能安全的同时被多个线程调用，那么，这个不可重入函数就是转换成了线程安全。线程安全，描述的是函数能同时被多个线程安全的调用，并不要求调用函数的结果具有可再现性。也就是说，多个线程同时调用该函数，允许出现互相影响的情况，这种情况的出现需要某些机制比如互斥锁来支持，使之安全。联系：可重入函数一定是线程安全的，但线程安全不一定是可重入的。