线程安全与可重入

Posted 2023-02-16

【中文标题】线程安全与可重入

【英文标题】：Threadsafe vs re-entrant

【发布时间】：2010-10-25 19:16:45

【问题描述】：

最近问了一个问题，题目是"Is malloc thread safe?"，里面问的是“malloc re-entrant吗？”

我的印象是所有可重入都是线程安全的。

这个假设是错误的吗？

【参考方案1】：

TL;DR：一个函数可以是可重入的、线程安全的，或者两者都不是。

thread-safety 和 reentrancy 的***文章非常值得一读。以下是一些引文：

如果满足以下条件，函数是线程安全的：

它只操作共享数据结构 一种保证多人安全执行的方式 同时线程。

如果满足以下条件，函数是可重入：

它可以在执行过程中的任何时候被中断 然后在其之前再次安全地调用（“重新输入”） 之前的调用完成执行。

作为可能的重入示例，Wikipedia 给出了一个设计为由系统中断调用的函数的示例：假设在另一个中断发生时它已经在运行。但不要因为不使用系统中断编写代码就认为自己是安全的：如果使用回调或递归函数，在单线程程序中可能会遇到重入问题。

避免混淆的关键是 reentrant 指的是 只有一个线程在执行。这是一个从那时起的概念 不存在多任务操作系统。

示例

（根据***的文章略有修改）

示例 1：非线程安全，不可重入

/* As this function uses a non-const global variable without
   any precaution, it is neither reentrant nor thread-safe. */

int t;

void swap(int *x, int *y)

    t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;

示例 2：线程安全，不可重入

/* We use a thread local variable: the function is now
   thread-safe but still not reentrant (within the
   same thread). */

__thread int t;

void swap(int *x, int *y)

    t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;

示例 3：非线程安全，可重入

/* We save the global state in a local variable and we restore
   it at the end of the function.  The function is now reentrant
   but it is not thread safe. */

int t;

void swap(int *x, int *y)

    int s;
    s = t;
    t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
    t = s;

示例 4：线程安全、可重入

/* We use a local variable: the function is now
   thread-safe and reentrant, we have ascended to
   higher plane of existence.  */

void swap(int *x, int *y)

    int t;
    t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;

【讨论】：

我知道我不应该仅仅为了表示感谢而发表评论，但这是阐明可重入和线程安全函数之间差异的最佳插图之一。特别是您使用了非常简洁明了的术语，并选择了一个很好的示例函数来区分这 4 个类别。所以，谢谢！

在我看来，示例 3 是不可重入的：如果信号处理程序在 t = *x 之后中断，调用 swap()，那么 t 将被覆盖，导致意外结果。跨度>

@SandBag_1996，让我们考虑对swap(5, 6) 的调用被swap(1, 2) 中断。在t=*x、s=t_original 和t=5 之后。现在，在中断之后，s=5 和 t=1。但是，在第二个swap 返回之前，它将恢复上下文，使t=s=5。现在，我们用t=5 and s=t_original 回到第一个swap 并在t=*x 之后继续。因此，该功能似乎是可重入的。请记住，每个调用都会在堆栈上分配自己的 s 副本。

@SandBag_1996 假设如果函数被中断（在任何时候），它只会被再次调用，我们等到它完成后再继续原来的调用。如果发生其他任何事情，那么它基本上就是多线程，而且这个函数不是线程安全的。假设函数做 ABCD，我们只接受 AB_ABCD_CD，或 A_ABCD_BCD，甚至 A__AB_ABCD_CD__BCD。如您所见，示例 3 在这些假设下可以正常工作，因此它是可重入的。希望这会有所帮助。

@SandBag_1996，互斥锁实际上会使其不可重入。第一次调用锁定互斥锁。第二次调用 - 死锁。

【参考方案2】：

这取决于定义。例如Qt uses 如下：

可以从多个线程同时调用线程安全* 函数，即使调用使用共享数据也是如此，因为对共享数据的所有引用都是序列化的。

可重入函数也可以从多个线程同时调用，但前提是每次调用都使用自己的数据。

因此，线程安全函数总是可重入的，但可重入函数并不总是线程安全的。

通过扩展，如果一个类的成员函数可以从多个线程安全地调用，只要每个线程使用该类的不同实例，就称其为可重入。如果可以从多个线程安全地调用该类的成员函数，则该类是线程安全的，即使所有线程都使用该类的相同实例。

但他们也警告：

注意：多线程领域的术语并未完全标准化。 POSIX 使用与其 C API 有所不同的可重入和线程安全定义。在 Qt 中使用其他面向对象的 C++ 类库时，请确保理解这些定义。

【讨论】：

这个可重入的定义太强了。

如果一个函数不使用任何全局 /static 变量，它既是可重入的又是线程安全的。线程 - 安全：当多个线程同时运行您的函数时，是否存在竞争？如果使用 global var，请使用 lock 来保护它。所以它是线程安全的。可重入：如果在你的函数执行过程中出现信号，并且在信号中再次调用你的函数，是否安全？？？在这种情况下，没有多个线程。最好不要使用任何静态/全局变量来使其可重入，或者像示例 3 中那样。

【参考方案3】：

可重入函数不依赖于 C 库头文件中公开的全局变量。以 C 中的 strtok() 与 strtok_r() 为例。

某些函数需要一个地方来存储“正在进行的工作”，可重入函数允许您在线程自己的存储中指定此指针，而不是在全局中。由于此存储是调用函数独有的，因此它可以被中断并重新进入（重新进入），因为在大多数情况下，超出函数实现的互斥不是此工作所必需的，它们通常被认为是线程安全的。然而，这并不能通过定义来保证。

然而，在 POSIX 系统上，errno 的情况略有不同（并且在任何解释这一切如何工作时往往是奇怪的）:)

简而言之，可重入经常意味着线程安全（如“如果您正在使用线程，请使用该函数的可重入版本”），但线程安全并不总是意味着可重入（或相反）。当您考虑线程安全时，并发 是您需要考虑的。如果您必须提供一种锁定和互斥的方法来使用函数，那么该函数本质上不是线程安全的。

但是，并非所有功能都需要检查。 malloc() 不需要可重入，它不依赖于任何给定线程的入口点范围之外的任何内容（并且本身是线程安全的）。

返回静态分配值的函数在不使用互斥锁、futex 或其他原子锁定机制的情况下不是线程安全的。然而，如果它们不会被打断，它们就不需要可重入。

即：

static char *foo(unsigned int flags)

  static char ret[2] =  0 ;

  if (flags & FOO_BAR)
    ret[0] = 'c';
  else if (flags & BAR_FOO)
    ret[0] = 'd';
  else
    ret[0] = 'e';

  ret[1] = 'A';

  return ret;

因此，如您所见，让多个线程在没有某种锁定的情况下使用它会是一场灾难……但它没有可重入的目的。当动态分配内存在某些嵌入式平台上是禁忌时，您会遇到这种情况。

在纯函数式编程中，可重入通常并不意味着线程安全，它取决于传递给函数入口点的已定义或匿名函数的行为、递归等。

“线程安全”的更好方式是对并发访问安全，这更好地说明了需求。

【讨论】：

可重入并不意味着线程安全。纯函数意味着线程安全。

很好的答案蒂姆。澄清一下，我对您“经常”的理解是线程安全并不意味着可重入，但可重入也不意味着线程安全。你能找到一个不是线程安全的可重入函数的例子吗？

@Tim Post “简而言之，可重入通常意味着线程安全（如“如果您正在使用线程，请使用该函数的可重入版本”），但线程安全并不总是意味着可重入。” qt says 相反：“因此，线程安全函数总是可重入的，但可重入函数并不总是线程安全的。”

和 wikipedia says 另一个：“重入的定义不同于多线程环境中线程安全的定义。重入子程序可以实现线程安全，[1] 但可重入单独可能不足以在所有情况下都是线程安全的。相反，线程安全代码不一定必须是可重入的 (...)"

@Riccardo：通过 volatile 变量同步的函数，但不是用于信号/中断处理程序的完整内存屏障，通常是可重入的，但线程安全。