可重入，异步信息安全，线程安全

Posted 2020-08-15 lidonghat

声明：本文为个人理解，不能保证一定是正确的！

　　这三个概念一直纠缠着我，我也时不时的会拿出来辨析下，直到昨天才发现自己可以把它们理顺了。所以学习就是这样一个反复的过程，最终达到顿悟的效果。本文主要参考APUE第三版英文版第10.6和12.5节，以及WIKI百科，还有CSDN和stackoverflow中对这些概念的讨论，然后给出一份自己认为比较合理的理解。

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中断，信号，线程切换

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1. 这三个概念都牵涉到异步通信，因为运行中的代码不可预测什么时候会发生中断，什么时候会收到信号，什么时候会发生线程切换：

   • 中断，一般指的硬件中断，是硬件对cpu的中断
   • 信号，则是对中断的模拟，可以看作是os对进程的中断
   • 线程切换，cpu的时分复用手段

2. 代码执行流：

#-表示代码在cpu上运行，.表示等待中

##1. 中断和信号
<f1>---------...................-----------
<f2>.........-------------------...........
###f1在执行的过程中被f2打断，当且仅当f2完整的执行完后返回f1

##2. 线程切换
<f1>----....----....----....----....----
<f2>....----....----....----....----....
###f1和f2互相打断彼此，交错地运行

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可重入，异步信息安全，线程安全

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1. 可重入
   　　可重入的意思就是一个函数没有执行完，又在另一个地方被调用一次，两次调用都能得到正确的结果。可重入概念在多任务操作系统之前就已经存在了，It is a concept from the time when no multitasking operating systems existed。

2. 异步信息安全，线程安全
   　　可重入中提到的”另一个地方”可以是：

   • 在中断或信号中，在此情况下如果函数是可重入的，那么就称这个函数是异步信号安全的，这两种情况可以看成是一种递归调用。
     [APUE10.6节就是专门说明异步信号安全的]
   • 在另一个线程中，在此情况下如果函数是可重入的，那么就称这个函数是线程安全的。
     [APUE12.5节就是专门说明线程安全的]
     

   If a function is reentrant with respect to multiple threads, we say that it is thread-safe. This doesn’t tell us, however, whether the function is reentrant with respect to signal handlers. We say that a function that is safe to be reentered from an asynchronous signal handler is async-signal safe.

3. 三者的关系

红色表示不可重入函数，A+B+C表示可重入函数，其中A表示递归调用情况下可重入，C表示多线程的情况下可重入，B表示种情况下都可重入。
所以单独说某函数是重入，而不限定使用场景是没有意义的；如果仅仅说是非可重入则又是有意义的…

4. 异步信号安全函数列表

5. 可重入函数和异步信号安全函数等同吗?

根据上面的关系图可以得出两者是不等同的，可重入函数在不同的情景下可以分为异步信号安全和线程安全。异步信号安全可以看作是递归调用情况下的可重入。举例如下：

//非可重入版本
int t;

void swap(int *x, int *y)
{
    t = *x;
    *x = *y;

    // hardware interrupt might invoke isr() here!!
    *y = t;
}
/
//异步信号安全版本，非线程安全
int t;

void swap(int *x, int *y)
{
    int s;

    s = t; // save global variable
    t = *x;
    *x = *y;

    // hardware interrupt might invoke isr() here!
    *y = t;
    t = s; // restore global variable
}

//在信号处理函数中调用时，每次使用t之前都会进行备份，返回之前还原t的值；所以在信号处理函数中调用是可重入的；
//如果用在线程中，则有可能线程切换之前未来得及还原t的值，导致结果出错，所以在线程切换中是不可重入的；

//由此可以看出，异步信号安全函数不一定是线程安全函数!
//线程安全的函数由于可能使用互斥锁，在信号处理函数中递归调用会出现死锁，所以线程安全的函数也不一定是异步信号安全的。

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其它

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1. 信号就像硬件中断一样，会打断正在执行的指令序列。信号处理函数无法判断捕获到信号的时候，进程在何处运行。如果信号处理函数中的操作与打断的函数的操作相同，而且这个操作中有静态数据结构等，当信号处理函数返回的时候（当然这里讨论的是信号处理函数可以返回），恢复原先的执行序列，可能会导致信号处理函数中的操作覆盖了之前正常操作中的数据。
   所以通常函数不可重入的原因在于：

   • 函数使用静态数据结构；
   • 函数调用malloc和free.因为malloc通常会为所分配的存储区维护一个链接表，而插入执行信号处理函数的时候，进程可能正在修改此链接表；
   • 函数是标准IO函数，因为标准IO库的很多实现都使用了全局数据结构；
   • 函数会修改自身代码，导致多次调用不同代码;
   • 等等。

2. 即使对于可重入函数，在信号处理函数中使用也需要注意一个问题就是errno。一个线程中只有一个errno变量，信号处理函数中使用的可重入函数也有可能会修改errno。例如，read函数是可重入的，但是它也有可能会修改errno。因此，正确的做法是在信号处理函数开始，先保存errno；在信号处理函数退出的时候，再恢复errno。
   例如，程序正在调用printf输出，但是在调用printf时，出现了信号，对应的信号处理函数也有printf语句，就会导致两个printf的输出混杂在一起。
   如果是给printf加锁的话，同样是上面的情况就会导致死锁。对于这种情况，采用的方法一般是在特定的区域屏蔽一定的信号。
   屏蔽信号的方法：
   1> signal(SIGPIPE, SIG_IGN); //忽略一些信号
   2> sigprocmask()
   sigprocmask只为单线程定义的
   3> pthread_sigmask()
   pthread_sigmasks可以在多线程中使用

3. 很多函数并不是线程安全的，因为他们返回的数据是存放在静态的内存缓冲区中的。通过修改接口，由调用者自行提供缓冲区就可以使这些函数变为线程安全的。操作系统实现支持线程安全函数的时候，会对POSIX.1中的一些非线程安全的函数提供一些可替换的线程安全版本。
   例如,gethostbyname()是线程不安全的，在Linux中提供了gethostbyname_r()的线程安全实现。
   函数名字后面加上”_r”，以表明这个版本是可重入的（对于线程可重入，也就是说是线程安全的，但并不是说对于信号处理函数也是可重入的，或者是异步信号安全的）。

4. 多线程程序中常见的疏忽性问题

   • 将指针作为新线程的参数传递给调用方栈，我就犯过这样的错…
   • 在没有同步机制保护的情况下访问全局内存的共享可更改状态。
   • 两个线程尝试轮流获取对同一对全局资源的权限时导致死锁。其中一个线程控制第一种资源，另一个线程控制第二种资源。其中一个线程放弃之前，任何一个线程都无法继续操作。
   • 尝试重新获取已持有的锁（递归死锁）。
   • 在同步保护中创建隐藏的间隔。如果受保护的代码段包含的函数释放了同步机制，而又在返回调用方之前重新获取了该同步机制，则将在保护中出现此间隔。结果具有误导性。对于调用方，表面上看全局数据已受到保护，而实际上未受到保护。
   • 将UNIX 信号与线程混合时，使用sigwait(2) 模型来处理异步信号。
   • 调用setjmp(3C) 和longjmp(3C)，然后长时间跳跃，而不释放互斥锁。
   • 从对*_cond_wait() 或*_cond_timedwait() 的调用中返回后无法重新评估条件。

5. 如果一个函数对多个线程来说是可重入的，则说这个函数是线程安全的，但这并不能说明对信号处理程序来说该函数也是可重入的。
   如果函数对异步信号处理程序的重入是安全的，那么就可以说函数是”异步-信号安全”的。

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参考文档

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1. APUE第三版原版10.6&12.5，去阅读原版而不是中文版(有道在手，天下我有:P)
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Reentrancy_(computing)
3. http://bbs.csdn.net/topics/310140183
4. http://stackoverflow.com/questions/9837343/difference-between-thread-safe-and-async-signal-safe
5. http://stackoverflow.com/questions/18198487/are-r-unix-calls-reentrant-async-signal-safe-thread-safe-or-both