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分类: 嵌入式

2014-11-17 17:57:00

重入函数
[copy from: http://blog.sina.com.cn/s/blog_8d05143b01014wxz.html]
可重入函数主要用于多任务环境中,一个可重入的函数简单来说就是可以被中断的函数,也就是说,可以在这个函数执行的任何时刻中断它,转入OS调度下去执行另外一段代码,而返回控制时不会出现什么错误;而不可重入的函数由于使用了一些系统资源,比如全局变量区,中断向量表等,所以它如果被中断的话,可能会出现问题,这类函数是不能运行在多任务环境下的。

怎么会有可重入和不可重入的概念呢?在多任务系统下,中断可能在任务执行的任何时间发生;如果一个函数的执行期间被中断后,到重新恢复到断点进行执行的过程中,函数所依赖的环境没有发生改变,那么这个函数就是可重入的,否则就不可重入。在中断前后不都要保存和恢复上下文吗,怎么会出现函数所依赖的环境发生改变了呢?我们知道中断时确实保存一些上下文,但是仅限于返回地址,cpu寄存器等之类的少量上下文,而函数内部使用的诸如全局或静态变量,buffer等并不在保护之列,所以如果这些值在函数被中断期间发生了改变,那么当函数回到断点继续执行时,其结果就不可预料了。

满足下面条件之一的多数是不可重入函数:
(1)使用了静态数据结构;
比如使用或者返回全局变量,静态局部变量
(2)调用了malloc或free;
malloc/free是不可重入的,它们使用了全局变量来指向空闲区。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;
(3)调用了标准I/O函数;
标准I/O库的很多实现都使用了全局数据结构;
(4)进行了浮点运算.
许多的处理器/编译器中,浮点一般都是不可重入的 (浮点运算大多使用协处理器或者软件模拟来实现)。举个例子假设有个硬件寄存器名字叫做FLOAT,用来计算和存放浮点数的中间运算结果假设有这么个函数
void fun()
{
    //...
}
这个函数对FLOAT寄存器进行操作,假如第一次执行,有个对浮点数操作运算的结果临时存在FLOAT寄存器中,而就在这时被中断了,而中断函数或者另一个进程也调用fun函数,这时第二次调用的fun函数在执行的过程中就会破坏第一次FLOAT寄存器中的结果,这样当返回到第一次fun函数的时候,结果就不正确了。

在信号处理程序及多线程编程时,要特别注意。考虑这种情况:
1) 信号处理程序A内外都调用了同一个不可重入函数B;B在执行期间被信号打断,进入A (A中调用了B),完事之后返回B被中断点继续执行,这时B函数的环境可能改变,其结果就不可预料了。
2) 多线程共享进程内部的资源,如果两个线程A,B调用同一个不可重入函数F,A线程进入F后,线程调度,切换到B,B也执行了F,那么当再次切换到线程A时,其调用F的结果也是不可预料的。

在信号处理程序中即使调用可重入函数也有问题要注意。作为一个通用的规则,当在信号处理程序中调用可重入函数时,应当在其前保存errno,并在其后恢复errno。(要了解经常被捕捉到的信号是SIGCHLD,其信号处理程序通常要调用一种wait函数,而各种wait函数都能改变errno。)可重入函数在多线程条件下,函数应当是线程安全的,进一步,更强的条件是可重入的。一个可重入函数保证了在多线程条件下,函数的状态不会出现错误。eg. in cstatic int tmp;
void swap1(int* x, int* y)
{
    tmp=*x;
    *x=*y;
    *y=tmp;
}
void swap2(int* x, int* y)
{
    int tmp;
    tmp=*x;
    *x=*y;
    *y=tmp;
}
swap1是不可重入的,swap是可重入的。因为在多线程条件下,操作系统会在swap1还没有执行完的情况下,切换到另一个线程中,那个线程可能再次调用swap1,这样状态就错了。

一个函数如果满足以及下条件之一,那么它是不可重入的:
函数中使用了静态变量,无论是全局静态变量还是局部静态变量。
函数返回静态变量。
函数中调用了不可重入函数。
函数是singleton中的成员函数而且使用了不使用线程独立存储的成员变量
总的来说,如果一个函数在重入条件下使用了未受保护的共享的资源,那么它是不可重入的。

什么是可重入性?可重入(reentrant)函数可以由多于一个任务并发使用,而不必担心数据错误。相反, 不可重入(non-reentrant)函数不能由超过一个任务所共享,除非能确保函数的互斥(或者使用信号量,或者在代码的关键部分禁用中断)。可重入函数可以在任意时刻被中断,稍后再继续运行,不会丢失数据。可重入函数要么使用本地变量,要么在使用全局变量时保护自己的数据。
可重入函数:不为连续的调用持有静态数据。不返回指向静态数据的指针;所有数据都由函数的调用者提供。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。绝不调用任何不可重入函数。

编写可重入函数原则:
1、不要使用静态数据结构,坚持只用局部变量;
2、若必须访问全局变量,利用互斥信号量来保护全局变量;
3、获取得知哪些系统调用是可重入的,在多任务处理程序中都使用安全的系统调用;
4、不调用其它任何不可重入的函数;
5、谨慎使用堆栈。堆栈操作涉及内存分配,稍不留神就会造成益出导致覆盖其他任务的数据,最好先在使用前先OS_ENTER_KERNAL
6、在和硬件发生交互的时候,切记执行类似disinterrupt()之类的操作,就是关闭硬件中断。完成交互记得打开中断,在有些系列上,这叫做“进入/退出核心”。
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