1.什么是可重入性

重入一般可以理解為一個函數(shù)在同時多次調(diào)用，例如操作系統(tǒng)在進程調(diào)度過程中，或者單片機、處理器等的中斷的時候會發(fā)生重入的現(xiàn)象。

可重入的函數(shù)必須滿足以下三個條件：

（1）可以在執(zhí)行的過程中可以被打斷；

（2）被打斷之后，在該函數(shù)一次調(diào)用執(zhí)行完之前，可以再次被調(diào)用（或進入，reentered)。

（3）再次調(diào)用執(zhí)行完之后，被打斷的上次調(diào)用可以繼續(xù)恢復(fù)執(zhí)行，并正確執(zhí)行。

可重入函數(shù)可以在任意時刻被中斷，稍后再繼續(xù)運行，不會丟失數(shù)據(jù)。不可重入（non-reentrant）函數(shù)不能由超過一個任務(wù)所共享，除非能確保函數(shù)的互斥（或者使用信號量，或者在代碼的關(guān)鍵部分禁用中斷）。

通常，以下幾種情況會受到可重入性的制約：

（1）信號處理程序A內(nèi)外都調(diào)用了同一個不可重入函數(shù)B；B在執(zhí)行期間被信號打斷，進入A (A中調(diào)用了B),完事之后返回B被中斷點繼續(xù)執(zhí)行，這時B函數(shù)的環(huán)境可能改變，其結(jié)果就不可預(yù)料了。
眾所周知，在進程中斷期間，系統(tǒng)會保存和恢復(fù)進程的上下文，然而恢復(fù)的上下文僅限于返回地址，cpu寄存器等之類的少量上下文，而函數(shù)內(nèi)部使用的諸如全局或靜態(tài)變量，buffer等并不在保護之列，所以如果這些值在函數(shù)被中斷期間發(fā)生了改變，那么當函數(shù)回到斷點繼續(xù)執(zhí)行時，其結(jié)果就不可預(yù)料了。打個比方，比如malloc，將如一個進程此時正在執(zhí)行malloc分配堆空間，此時程序捕捉到信號發(fā)生中斷，執(zhí)行信號處理程序中恰好也有一個malloc，這樣就會對進程的環(huán)境造成破壞，因為malloc通常為它所分配的存儲區(qū)維護一個鏈接表，插入執(zhí)行信號處理函數(shù)時，進程可能正在對這張表進行操作，而信號處理函數(shù)的調(diào)用剛好覆蓋了進程的操作，造成錯誤。

（2）多線程共享進程內(nèi)部的資源，如果兩個線程A，B調(diào)用同一個不可重入函數(shù)F，A線程進入F后，線程調(diào)度，切換到B，B也執(zhí)行了F，那么當再次切換到線程A時，其調(diào)用F的結(jié)果也是不可預(yù)料的。

常見的不可重入函數(shù)有：
printf --------引用全局變量stdout
malloc --------全局內(nèi)存分配表
free??? --------全局內(nèi)存分配表

2.可重入與線程安全

可重入的定義源于單線程環(huán)境。在單線程環(huán)境下，一段代碼在執(zhí)行中可能被硬件中斷，并轉(zhuǎn)而調(diào)用中斷服務(wù)程序（ISR）。在本次調(diào)用中斷處理函數(shù)之前，有可能中斷處理函數(shù)已經(jīng)在執(zhí)行。因此，任何中斷處理函數(shù)都應(yīng)該是可重入的。

線程安全的概念則源自于多線程環(huán)境。可見，他們的起源是不一樣的。那么，他們沒有什么必然關(guān)系呢。可總結(jié)如下：

（1）一個線程安全的函數(shù)不一定是可重入的；

（2）一個可重入的函數(shù)缺也不一定是線程安全的！

3.不可重入的危害

在單線程進程中，只存在一個控制流。因此，這些進程所執(zhí)行的代碼無需重入或是線程安全的。在多線程程序中，相同的功能和資源可以通過多個控制流并發(fā)訪問。

要保護資源的完整性，編寫的多線程程序代碼必須能重入并是線程安全的。不可重入對多線程環(huán)境的危害是很大的，甚至會造成系統(tǒng)崩潰。

4.不可重入的例子

4.1 不可重入且線程不安全

下面這個swap函數(shù)是不可重入的：

[cpp]?view plain?copy ? ?

int?t;??

???

void?swap(int?*x,?int?*y)??

{??

????t?=?*x;??

????*x?=?*y;??

???

????//?hardware?interrupt?might?invoke?isr()?here!??

????*y?=?t;??

}??

???

void?isr()??

{??

????int?x?=?1,?y?=?2;??

????swap(&x,?&y);??

}??

當然了，跟據(jù)前面的總結(jié)，既然它不可重入則它一定不是線程安全的。

可以把t改成線程局部變量，使得該函數(shù)變成線程安全。然而，這樣修改的話，swap函數(shù)依然是不可重入的。例如一個線程已經(jīng)在執(zhí)行swap函數(shù)，這個時候在同樣的語境下收到硬件中斷，isr()函數(shù)會被調(diào)用，進而調(diào)用swap，swap的不可重入問題就暴露出來了。

4.2 可重入但是線程安全

我們做一定修改，在swap函數(shù)里，在交換前，對此時刻的t全局變量做一個本地的緩存，在交換結(jié)束的時候，始終使用該緩存。這樣的話，swap函數(shù)在退出的時候，全局變量的之跟進入的時候是一樣的。這樣，就可以保證該函數(shù)是線程可重入的。代碼如下：

[cpp]?view plain?copy ? ?

int?t;??

???

void?swap(int?*x,?int?*y)??

{??

????int?s;??

???

??<span?style="color:#FF0000;">??s?=?t;?//?save?global?variable</span>??

????t?=?*x;??

????*x?=?*y;??

???

????//?hardware?interrupt?might?invoke?isr()?here!??

????*y?=?t;??

<span?style="color:#FF0000;">????t?=?s;?//?restore?global?variable</span>??

}??

???

void?isr()??

{??

????int?x?=?1,?y?=?2;??

????swap(&x,?&y);??

}??

然而，該函數(shù)在多線程環(huán)境下，依然是線程不安全的，因為它無法保證全局變量t的一致性。

5.預(yù)防不可重入的幾個原則

原則總結(jié)如下：

（1）不要使用static變量和全局變量，堅持只用局部變量；

（2）若必須訪問全局變量，利用互斥信號量來保護全局變量；

（3）獲取得知哪些系統(tǒng)調(diào)用是可重入的，在多任務(wù)處理程序中都使用安全的系統(tǒng)調(diào)用；

（4）不調(diào)用其它任何不可重入的函數(shù)；

（5）謹慎使用堆棧malloc/new。

6.優(yōu)秀實踐：如何優(yōu)化已有代碼，使函數(shù)成為可重入？

在多數(shù)情況下，必須用帶有已修改的將要重入的函數(shù)來替代非重入函數(shù)。非重入函數(shù)不能由多個線程使用。此外，可能也無法使非重入函數(shù)變?yōu)榫€程安全。

6.1 返回指向靜態(tài)數(shù)據(jù)的指針的函數(shù)是不可重入的，如何使其變得可重入？

許多非重入函數(shù)會返回一個指向靜態(tài)數(shù)據(jù)的指針。可以用以下方法來避免這種情況：

• 返回動態(tài)分配的數(shù)據(jù)。在這種情況下，調(diào)用程序?qū)⒇撠熱尫糯鎯α俊：锰幵谟跓o需對接口進行修改。但是，向后兼容性就無法保證了；現(xiàn)有的使用已修改函數(shù)的單線程程序在不更改的情況下不會釋放存儲量，這將導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。
• 使用調(diào)用程序提供的存儲量。雖然必須修改接口，但是推薦使用這種方法。

例如，將字符串轉(zhuǎn)換為大寫的?strtoupper?函數(shù)可以用如以下所示的代碼段來實現(xiàn)：/* non-reentrant function */ char *strtoupper(char *string) {static char buffer[MAX_STRING_SIZE];int index;for (index = 0; string[index]; index++)buffer[index] = toupper(string[index]);buffer[index] = 0return buffer; } 該函數(shù)不是重入函數(shù)（也不是線程安全的函數(shù)）。要通過返回動態(tài)分配的數(shù)據(jù)來使該函數(shù)重入，那么該函數(shù)應(yīng)類似于以下代碼段：/* reentrant function (a poor solution) */ char *strtoupper(char *string) {char *buffer;int index;/* error-checking should be performed! */buffer = malloc(MAX_STRING_SIZE);for (index = 0; string[index]; index++)buffer[index] = toupper(string[index]);buffer[index] = 0return buffer; } 較好的解決方案是修改接口。調(diào)用程序必須為輸入和輸出字符串提供存儲量，如以下代碼段所示：/* reentrant function (a better solution) */ char *strtoupper_r(char *in_str, char *out_str) {int index;for (index = 0; in_str[index]; index++)out_str[index] = toupper(in_str[index]);out_str[index] = 0return out_str; }

使用調(diào)用程序提供的存儲量使非重入標準 C 庫子例程重入。

6.2 在連續(xù)調(diào)用中保存數(shù)據(jù)的函數(shù)是不可重入的，如何修改？

在連續(xù)調(diào)用中將不保存任何數(shù)據(jù)，因為不同的線程可能連續(xù)地調(diào)用該函數(shù)。如果函數(shù)必須在連續(xù)調(diào)用中保存某些數(shù)據(jù)，比如工作緩存或指針，那么調(diào)用程序應(yīng)提供該數(shù)據(jù)。

請考慮以下例子。函數(shù)返回了字符串中連續(xù)的小寫字符。該字符串只在第一次調(diào)用時提供，就像?strtok?子例程。函數(shù)在到達字符串的結(jié)尾處時返回 0。該函數(shù)可通過以下代碼段來實現(xiàn)：/* non-reentrant function */ char lowercase_c(char *string) {static char *buffer;static int index;char c = 0;/* stores the string on first call */if (string != NULL) {buffer = string;index = 0;}/* searches a lowercase character */for (; c = buffer[index]; index++) {if (islower(c)) {index++;break;}}return c; }

該函數(shù)不是重入函數(shù)。要使其變?yōu)橹厝牒瘮?shù)，那么調(diào)用程序必須保存靜態(tài)數(shù)據(jù)和變量?index。該函數(shù)的重入版本可通過以下代碼段來實現(xiàn)：/* reentrant function */ char reentrant_lowercase_c(char *string, int *p_index) {char c = 0;/* no initialization - the caller should have done it *//* searches a lowercase character */for (; c = string[*p_index]; (*p_index)++) {if (islower(c)) {(*p_index)++;break;}}return c; } 該函數(shù)的接口和用法都發(fā)生了改變。調(diào)用程序必須向每次調(diào)用提供該字符串，且在首次調(diào)用前，必須將索引初始化為 0，如以下代碼所示：char *my_string; char my_char; int my_index; ... my_index = 0; while (my_char = reentrant_lowercase_c(my_string, &my_index)) {... }

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的函数的可重入性的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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