可重入函數與線程安全的區別及聯繫

可重入函數

 main函數調用insert函數向一個鏈表head中插入節點node1,插入操做分爲兩步,剛作完 第一步的 時候,由於硬件中斷使進程切換到內核,再次回用戶態以前檢查到有信號待處理,於 是切換 到sighandler函數,sighandler也調用insert函數向同一個鏈表head中插入節 點node2,插入操做的 兩步都作完以後從sighandler返回內核態,再次回到用戶態就從 main函數調用的insert函數中繼續 往下執行,先前作第一步以後被打斷,如今繼續作完第二 步。結果是,main函數和sighandler前後 向鏈表中插入兩個節點,而最後只有一個節點真 正插入鏈表中了。    

insert函數被不一樣的控制流程調用,有可能在第一次調用還沒返回時就再次 進入該函 數,這稱爲重入,insert函數訪問一個全局鏈表,有可能由於重入而形成錯亂,像這樣 的函數稱爲 不可重入函數,反之,若是一個函數只訪問本身的局部變量或參數,則稱爲可重入 (Reentrant) 函數。

可重入，並不必定要是多線程的。可重入只關注一個結果可再現性。在APUE中，可函數可重入的概念最早是在講signal的handler的時候提出的。此時進程(線程)正在執行函數fun()，在函數fun()還未執行完的時候，忽然進程接收到一個信號sig, 此時，須要暫停執行fun(),要轉而執行sig信號的處理函數sig_handler()，那麼，若是在sig_handler()中，也剛好調用了函數fun().信號的處理是以軟終端的形式進行的，那麼，當sig_handler()執行完返回以後，CPU會繼續從fun()被打斷的地方往下執行。這裏講的比較特殊，最好的狀況是，進程中調用了fun()，函數，信號處理函數sig_handle()中也調用了fun()。若是fun()函數是可重入的，那麼，屢次調用fun()函數就具備可再現性。從而，兩次調用fun()的結果是正確的預期結果。非可重入函數，則剛好相反。

簡而言之，可重入函數，描述的是函數被屢次調用可是結果具備可再現性。

若是fun()，中，使用了static變量、返回全局變量、調用非可重入函數等等，帶有全局性的操做，都將會致使2次以上調用fun()的結果的不可再現性（固然，有些時候使用了static、全局變量等等，不必定致使調用結果不可再現性）。只要使調用結果具備可再現性，那麼該函數就是可重入的。

爲了保證函數是可重入的，須要作到一下幾點：

1，不在函數內部使用靜態或者全局數據

2，不返回靜態或者全局數據，全部的數據都由函數調用者提供

3，使用本地數據，或者經過製做全局數據的本地拷貝來保護全局數據

4， 若是必須訪問全局數據，使用互斥鎖來保護

5，不調用不可重入函數

重入函數的分類

可重入函數

顯式可重入函數：若是全部函數的參數都是傳值傳遞的（沒有指針），而且全部的數據引用都是本地的自動棧變量（也就是說沒有引用靜態或全局變量），那麼函數就是顯示可重入的，也就是說無論如何調用，咱們均可斷言它是可重入的。

隱式可重入函數：可重入函數中的一些參數是引用傳遞（使用了指針），也就是說，在調用線程當心地傳遞指向非共享數據的指針時，它纔是可重入的。例如rand_r就是隱式可重入的。
咱們使用可重入（reentrant）來包括顯式可重入函數和隱式可重入函數。然而，可重入性有時是調用者和被調用者共有的屬性，並不僅是被調用者單獨的屬性。

線程安全

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

若是一個函數可以安全的同時被多個線程調用而獲得正確的結果，那麼，咱們說這個函數是線程安全的。所謂安全，一切可能致使結果不正確的因素都是不安全的調用。

一個函數被稱爲線程安全的（thread-safe），當且僅當被多個併發進程反覆調用時，它會一直產生正確的結果。若是一個函數不是線程安全的，咱們就說它是線程不安全的（thread-unsafe）。咱們定義四類（有相交的）線程不安全函數。

第1類：不保護共享變量的函數

將這類線程不安全函數變爲線程安全的，相對比較容易：利用像P和V操做這樣的同步操做來保護共享變量。這個方法的優勢是在調用程序中不須要作任何修改，缺點是同步操做將減慢程序的執行時間。

第2類：保持跨越多個調用的狀態函數

一個僞隨機數生成器是這類不安全函數的簡單例子。

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函數是線程不安全的，由於當前調用的結果依賴於前次調用的中間結果。當咱們調用srand爲rand設置了一個種子後，咱們反覆從一個單線程中調用rand，咱們可以預期一個可重複的隨機數字序列。可是，若是有多個線程同時調用rand函數，這樣的假設就不成立了。

使得rand函數變爲線程安全的惟一方式是重寫它，使得它再也不使用任何靜態數據，取而代之地依靠調用者在參數中傳遞狀態信息。這樣的缺點是，程序員如今要被迫改變調用程序的代碼。

第3類：返回指向靜態變量指針的函數

某些函數（如gethostbyname）將計算結果放在靜態結構中，並返回一個指向這個結構的指針。若是咱們從併發線程中調用這些函數，那麼將可能發生災難，由於正在被一個線程使用的結果會被另外一個線程悄悄地覆蓋了。

有兩種方法來處理這類線程不安全函數。一種是選擇重寫函數，使得調用者傳遞存放結果的結構地址。這就消除了全部共享數據，可是它要求程序員還要改寫調用者的代碼。

若是線程不安全函數是難以修改或不可修改的（例如，它是從一個庫中連接過來的），那麼另一種選擇就是使用lock-and-copy（加鎖-拷貝）技術。這個概念將線程不安全函數與互斥鎖聯繫起來。在每一個調用位置，對互斥鎖加鎖，調用函數不安全函數，動態地爲結果非配存儲器，拷貝函數返回的結果到這個存儲器位置，而後對互斥鎖解鎖。一個吸引人的變化是定義了一個線程安全的封裝（wrapper）函數，它執行lock-and-copy，而後調用這個封轉函數來取代全部線程不安全的函數。例以下面的gethostbyname的線程安全函數。

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類：調用線程不安全函數的函數

若是函數f調用線程不安全函數g，那麼f就是線程不安全的嗎？不必定。若是g是類2類函數，即依賴於跨越屢次調用的狀態，那麼f也是不安全的，並且除了重寫g之外，沒有什麼辦法。然而若是g是第1類或者第3類函數，那麼只要用互斥鎖保護調用位置和任何獲得的共享數據，f可能仍然是線程安全的。好比上面的gethostbyname_ts。

線程安全，是針對多線程而言的。那麼和可重入聯繫起來，咱們能夠判定，可重入函數一定是線程安全的，可是線程安全的，不必定是可重入的。不可重入函數，函數調用結果不具備可再現性，能夠經過互斥鎖等機制，使之能安全的同時被多個線程調用，那麼，這個不可重入函數就是轉換成了線程安全。

線程安全，描述的是函數能同時被多個線程安全的調用，並不要求調用函數的結果具備可再現性。也就是說，多個線程同時調用該函數，容許出現互相影響的狀況，這種狀況的出現須要某些機制好比互斥鎖來支持，使之安全。

聯繫：可重入函數必定是線程安全的，但線程安全不必定是可重入的。