可重入与异步信号安全
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。
《多线程编程指南》中定义,可以被信号控制器安全调用的函数被称为"异步信号安全"函数。
因此,我认为可重入与异步信号安全是一个概念。
有人将可重入函数与线程安全函数混为一谈,我认为是不正确的。
这里引用CSAPP中的描述来说明一下:
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CSAPP
13.7.1 线程安全
一个函数被称为线程安全的,当且仅当被多个并发线程反复的调用时,它会一直产生正确的结果。
13.7.2 可重入性
有一类重要的线程安全函数,叫做可重入函数,其特点在于它们具有一种属性:当它们被多个线程调用时,不会引用任何共享的数据。
尽管线程安全和可重入有时会(不正确的)被用做同义词,但是它们之间还是有清晰的技术差别的。可重入函数是线程安全函数的一个真子集。
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重入即表示重复进入,首先它意味着这个函数可以被中断,其次意味着它除了使用自己栈上的变量以外不依赖于任何环境(包括static),这样的函数就是purecode(纯代码)可重入,可以允许有该函数的多个副本在运行,由于它们使用的是分离的栈,所以不会互相干扰。
可重入函数是线程安全函数,但是反过来,线程安全函数未必是可重入函数。
实际上,可重入函数很少,APUE 10.6节中描述了Single UNIX Specification说明的可重入的函数,只有115个;APUE 12.5节中描述了POSIX.1中不能保证线程安全的函数,只有89个。
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。
不可重入函数的原因在于:
1> 已知它们使用静态数据结构
2> 它们调用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。
3> 它们是标准IO函数.
因为标准IO库的很多实现都使用了全局数据结构
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
现在看来信号异步安全和可重入的限制似乎是一样的,所以这里把它们等同看待;-)
线程安全
线程安全:如果一个函数在同一时刻可以被多个线程安全的调用,就称该函数是线程安全的。
不需要共享时,请为每个线程提供一个专用的数据副本。如果共享非常重要,则提供显式同步,以确保程序以确定的方式操作。通过将过程包含在语句中来锁定和解除锁定互斥,可以使不安全过程变成线程安全过程,而且可以进行串行化。
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)。
多线程程序中常见的疏忽性问题
1> 将指针作为新线程的参数传递给调用方栈。
2> 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。
3> 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。
4> 尝试重新获取已持有的锁(递归死锁)。
5> 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。
6> 将UNIX 信号与线程混合时,使用sigwait(2) 模型来处理异步信号。
7> 调用setjmp(3C) 和longjmp(3C),然后长时间跳跃,而不释放互斥锁。
8> 从对*_cond_wait() 或*_cond_timedwait() 的调用中返回后无法重新评估条件。
总结
判断一个函数是不是可重入函数,在于判断其能否可以被打断,打断后恢复运行能够得到正确的结果。(打断执行的指令序列并不改变函数的数据)
判断一个函数是不是线程安全的,在于判断其能否在多个线程同时执行其指令序列的时候,保证每个线程都能够得到正确的结果。
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。
参考:
CSAPP
13.7.1 线程安全
13.7.2 可重入性
《Advanced Programming in the UNIX Environment》2nd Editon
10.6 Reentrant Function
12.5 Reentrant
《多线程编程指南》
信号处理程序和异步信号安全
http://blog.chinaunix.net/u/25994/showart_369466.html
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