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在早期的編程中，不可重入性對程序員并不構成威脅；函數不會(huì )有并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)，也沒(méi)有中斷。在很多較老的 C 語(yǔ)言實(shí)現中，函數被認為是在單線(xiàn)程進(jìn)程的環(huán)境中運行。

不過(guò)，現在，并發(fā)編程已普遍使用，您需要意識到這個(gè)缺陷。本文描述了在并行和并發(fā)程序設計中函數的不可重入性導致的一些潛在問(wèn)題。信號的生成和處理尤其增 加了額外的復雜性。由于信號在本質(zhì)上是異步的，所以難以找出當信號處理函數 觸發(fā)某個(gè)不可重入函數時(shí)導致的 bug。

本文：

• 定義了可重入性，并包含一個(gè)可重入函數的 POSIX 清單。
• 給出了示例，以說(shuō)明不可重入性所導致的問(wèn)題。
• 指出了確保底層函數的可重入性的方法。
• 討論了在編譯器層次上對可重入性的處理。

什么是可重入性？

可重入（reentrant）函數可以由多于一個(gè)任務(wù)并發(fā)使用，而不必擔心數據錯誤。相反， 不可重入（non-reentrant）函數不能由超過(guò)一個(gè)任務(wù)所共享，除非能確保函數的互斥 （或者使用信號量，或者在代碼的關(guān)鍵部分禁用中斷）?？芍厝牒瘮悼梢栽谌我鈺r(shí)刻被中斷， 稍后再繼續運行，不會(huì )丟失數據?？芍厝牒瘮狄词褂帽镜刈兞?，要么在使用全局變量時(shí) 保護自己的數據。

可重入函數：

• 不為連續的調用持有靜態(tài)數據。
• 不返回指向靜態(tài)數據的指針；所有數據都由函數的調用者提供。
• 使用本地數據，或者通過(guò)制作全局數據的本地拷貝來(lái)保護全局數據。
• 絕不調用任何不可重入函數。

不要混淆可重入與線(xiàn)程安全。在程序員看來(lái)，這是兩個(gè)獨立的概念：函數可以是可重入的，是線(xiàn)程安全的，或者 二者皆是，或者二者皆非。不可重入的函數不能由多個(gè)線(xiàn)程使用。另外，或許不可能讓某個(gè) 不可重入的函數是線(xiàn)程安全的。

IEEE Std 1003.1 列出了 118 個(gè)可重入的 UNIX? 函數，在此沒(méi)有給出副本。參見(jiàn) 參 考資料 中指向 unix.org 上此列表的鏈接。

出于以下任意某個(gè)原因，其余函數是不可重入的：

• 它們調用了 malloc 或 free。
• 眾所周知它們使用了靜態(tài)數據結構體。
• 它們是標準 I/O 程序庫的一部分。

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信號和不可重入函數

信號（signal） 是軟件中斷。它使得程序員可以處理異步事件。為了向進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號， 內核在進(jìn)程表條目的信號域中設置一個(gè)位，對應于收到的信號的類(lèi)型。信號函數的 ANSI C 原型是：

void (*signal (int sigNum, void (*sigHandler)(int))) (int);

或者，另一種描述形式：

typedef void sigHandler(int);
SigHandler *signal(int, sigHandler *);

當進(jìn)程處理所捕獲的信號時(shí)，正在執行的正常指令序列就會(huì )被信號處理器臨時(shí)中斷。然后進(jìn)程繼續執行， 但現在執行的是信號處理器中的指令。如果信號處理器返回，則進(jìn)程繼續執行信號被捕獲時(shí)正在執行的 正常的指令序列。

現在，在信號處理器中您并不知道信號被捕獲時(shí)進(jìn)程正在執行什么內容。如果當進(jìn)程正在使用 malloc 在它的堆上分配額外的內存時(shí)，您通過(guò)信號處理器調用 malloc，那會(huì )怎樣？或者，調用了正在處理全局數據結構的某個(gè)函數，而 在信號處理器中又調用了同一個(gè)函數。如果是調用 malloc，則進(jìn)程會(huì ) 被嚴重破壞，因為 malloc 通常會(huì )為所有它所分配的區域維持一個(gè)鏈表，而它又 可能正在修改那個(gè)鏈表。

甚至可以在需要多個(gè)指令的 C 操作符開(kāi)始和結束之間發(fā)送中斷。在程序員看來(lái)，指令可能似乎是原子的 （也就是說(shuō)，不能被分割為更小的操作），但它可能實(shí)際上需要不止一個(gè)處理器指令才能完成操作。 例如，看這段 C 代碼：

temp += 1;

在 x86 處理器上，那個(gè)語(yǔ)句可能會(huì )被編譯為：

mov ax,[temp]
inc ax
mov [temp],ax

這顯然不是一個(gè)原子操作。

這個(gè)例子展示了在修改某個(gè)變量的過(guò)程中運行信號處理器可能會(huì )發(fā)生什么事情：

				
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
struct two_int { int a, b; } data;
void signal_handler(int signum){
   printf ("%d, %d\n", data.a, data.b);
   alarm (1);
}
int main (void){
 static struct two_int zeros = { 0, 0 }, ones = { 1, 1 };
 signal (SIGALRM, signal_handler);
 data = zeros;
 alarm (1);
while (1)
  {data = zeros; data = ones;}
}

這個(gè)程序向 data 填充 0，1，0，1，一直交替進(jìn)行。同時(shí)，alarm 信號 處理器每一秒打印一次當前內容（在處理器中調用 printf 是安全的，當信號發(fā)生時(shí) 它確實(shí)沒(méi)有在處理器外部被調用）。您預期這個(gè)程序會(huì )有怎樣的輸出？它應該打印 0,0 或者 1,1。但是實(shí)際的輸出 如下所示：

0, 0
1, 1
(Skipping some output...)
0, 1
1, 1
1, 0
1, 0
...

在大部分機器上，在 data 中存儲一個(gè)新值都需要若干個(gè)指令，每次存儲一個(gè)字。 如果在這些指令期間發(fā)出信號，則處理器可能發(fā)現 data.a 為 0 而 data.b 為 1，或者反之。另一方面，如果我們運行代碼的機器能夠在一個(gè) 不可中斷的指令中存儲一個(gè)對象的值，那么處理器將永遠打印 0,0 或 1,1。

使用信號的另一個(gè)新增的困難是，只通過(guò)運行測試用例不能夠確保代碼沒(méi)有信號 bug。這一困難的原因在于 信號生成本質(zhì)上異步的。

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不可重入函數和靜態(tài)變量

假定信號處理器使用了不可重入的 gethostbyname。這個(gè)函數 將它的值返回到一個(gè)靜態(tài)對象中：

static struct hostent host; /* result stored here*/

它每次都重新使用同一個(gè)對象。在下面的例子中，如果信號剛好是在 main 中調用 gethostbyname 期間到達，或者甚至在調用之后到達，而程序仍然在使用那個(gè)值，則 它將破壞程序請求的值。

				
main(){
  struct hostent *hostPtr;
  ...
  signal(SIGALRM, sig_handler);
  ...
  hostPtr = gethostbyname(hostNameOne);
  ...
}
void sig_handler(){
  struct hostent *hostPtr;
  ...
  /* call to gethostbyname may clobber the value stored during the call
  inside the main() */
  hostPtr = gethostbyname(hostNameTwo);
  ...
}

不過(guò)，如果程序不使用 gethostbyname 或者任何其他在同一對象中返回信息 的函數，或者如果它每次使用時(shí)都會(huì )阻塞信號，那么就是安全的。

很多庫函數在固定的對象中返回值，總是使用同一對象，它們全都會(huì )導致相同的問(wèn)題。如果某個(gè)函數使用并修改了 您提供的某個(gè)對象，那它可能就是不可重入的；如果兩個(gè)調用使用同一對象，那么它們會(huì )相互干擾。

當使用流（stream）進(jìn)行 I/O 時(shí)會(huì )出現類(lèi)似的情況。假定信號處理器使用 fprintf 打印一條消息，而當信號發(fā)出時(shí)程序正在使用同一個(gè)流進(jìn)行 fprintf 調用。 信號處理器的消息和程序的數據都會(huì )被破壞，因為兩個(gè)調用操作了同一數據結構：流本身。

如果使用第三方程序庫，事情會(huì )變得更為復雜，因為您永遠不知道哪部分程序庫是可重入的，哪部分是不可重入的。 對標準程序庫而言，有很多程序庫函數在固定的對象中返回值，總是重復使用同一對象，這就使得那些函數 不可重入。

近來(lái)很多提供商已經(jīng)開(kāi)始提供標準 C 程序庫的可重入版本，這是一個(gè)好消息。對于任何給定程序庫，您都應該通讀它所提供 的文檔，以了解其原型和標準庫函數的用法是否有所變化。

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確?？芍厝胄缘慕?jīng)驗

理解這五條最好的經(jīng)驗將幫助您保持程序的可重入性。

經(jīng)驗 1

返回指向靜態(tài)數據的指針可能會(huì )導致函數不可重入。例如，將字符串轉換為大寫(xiě)的 strToUpper 函數可能被實(shí)現如下：

				
char *strToUpper(char *str)
{
        /*Returning pointer to static data makes it non-reentrant */
       static char buffer[STRING_SIZE_LIMIT];
       int index;
       for (index = 0; str[index]; index++)
                buffer[index] = toupper(str[index]);
       buffer[index] = '\0';
       return buffer;
}

通過(guò)修改函數的原型，您可以實(shí)現這個(gè)函數的可重入版本。下面的清單為輸出準備了存儲空間：

				
char *strToUpper_r(char *in_str, char *out_str)
{
        int index;
        for (index = 0; in_str[index] != '\0'; index++)
        out_str[index] = toupper(in_str[index]);
        out_str[index] = '\0';
        return out_str;
}

由進(jìn)行調用的函數準備輸出存儲空間確保了函數的可重入性。注意，這里遵循了標準慣例，通過(guò)向函數名添加“_r”后綴來(lái) 命名可重入函數。

經(jīng)驗 2

記憶數據的狀態(tài)會(huì )使函數不可重入。不同的線(xiàn)程可能會(huì )先后調用那個(gè)函數，并且修改那些數據時(shí)不會(huì )通知其他 正在使用此數據的線(xiàn)程。如果函數需要在一系列調用期間維持某些數據的狀態(tài)，比如工作緩存或指針，那么 調用者應該提供此數據。

在下面的例子中，函數返回某個(gè)字符串的連續小寫(xiě)字母。字符串只是在第一次調用時(shí)給出，如 strtok 子例程。當搜索到字符串末尾時(shí)，函數返回 \0。函數可能如下實(shí)現：

				
char getLowercaseChar(char *str)
{
        static char *buffer;
        static int index;
        char c = '\0';
        /* stores the working string on first call only */
        if (string != NULL) {
                buffer = str;
                index = 0;
        }
        /* searches a lowercase character */
        while(c=buff[index]){
         if(islower(c))
         {
             index++;
             break;
         }
        index++;
       }
      return c;
}

這個(gè)函數是不可重入的，因為它存儲變量的狀態(tài)。為了讓它可重入，靜態(tài)數據，即 index， 需要由調用者來(lái)維護。此函數的可重入版本可能類(lèi)似如下實(shí)現：

				
char getLowercaseChar_r(char *str, int *pIndex)
{
        char c = '\0';
        /* no initialization - the caller should have done it */
        /* searches a lowercase character */
       while(c=buff[*pIndex]){
          if(islower(c))
          {
             (*pIndex)++; break;
          }
       (*pIndex)++;
       }
         return c;
}

經(jīng)驗 3

在大部分系統中，malloc 和 free 都不是可重入的， 因為它們使用靜態(tài)數據結構來(lái)記錄哪些內存塊是空閑的。實(shí)際上，任何分配或釋放內存的庫函數都是不可重入的。這也包括分配空間存儲結果的函數。

避免在處理器分配內存的最好方法是，為信號處理器預先分配要使用的內存。避免在處理器中釋放內存的最好方法是， 標記或記錄將要釋放的對象，讓程序不間斷地檢查是否有等待被釋放的內存。不過(guò)這必須要小心進(jìn)行，因為將一個(gè)對象 添加到一個(gè)鏈并不是原子操作，如果它被另一個(gè)做同樣動(dòng)作的信號處理器打斷，那么就會(huì )“丟失”一個(gè)對象。不過(guò)， 如果您知道當信號可能到達時(shí)，程序不可能使用處理器那個(gè)時(shí)刻所使用的流，那么就是安全的。如果程序使用的是某些其他流，那么也不會(huì )有任何問(wèn)題。

經(jīng)驗 4

為了編寫(xiě)沒(méi)有 bug 的代碼，要特別小心處理進(jìn)程范圍內的全局變量，如 errno 和 h_errno。 考慮下面的代碼：

				
if (close(fd) < 0) {
  fprintf(stderr, "Error in close, errno: %d", errno);
  exit(1);
}

假定信號在 close 系統調用設置 errno 變量 到其返回之前這一極小的時(shí)間片段內生成。這個(gè)生成的信號可能會(huì )改變 errno 的值，程序的行為會(huì )無(wú)法預計。

如下，在信號處理器內保存和恢復 errno 的值，可以解決這一問(wèn)題：

				
void signalHandler(int signo){
  int errno_saved;
  /* Save the error no. */
  errno_saved = errno;
  /* Let the signal handler complete its job */
  ...
  ...
  /* Restore the errno*/
  errno = errno_saved;
}

經(jīng)驗 5

如果底層的函數處于關(guān)鍵部分，并且生成并處理信號，那么這可能會(huì )導致函數不可重入。通過(guò)使用信號設置和 信號掩碼，代碼的關(guān)鍵區域可以被保護起來(lái)不受一組特定信號的影響，如下：

1. 保存當前信號設置。
2. 用不必要的信號屏蔽信號設置。
3. 使代碼的關(guān)鍵部分完成其工作。
4. 最后，重置信號設置。

下面是此方法的概述：

				
sigset_t newmask, oldmask, zeromask;
...
/* Register the signal handler */
signal(SIGALRM, sig_handler);
/* Initialize the signal sets */
sigemtyset(&newmask); sigemtyset(&zeromask);
/* Add the signal to the set */
sigaddset(&newmask, SIGALRM);
/* Block SIGALRM and save current signal mask in set variable 'oldmask'
*/
sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
/* The protected code goes here
...
...
*/
/* Now allow all signals and pause */
sigsuspend(&zeromask);
/* Resume to the original signal mask */
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
/* Continue with other parts of the code */

忽略 sigsuspend(&zeromask); 可能會(huì )引發(fā)問(wèn)題。從消除信號阻塞到進(jìn)程執行下一個(gè) 指令之間，必然會(huì )有時(shí)鐘周期間隙，任何在此時(shí)間窗口發(fā)生的信號都會(huì )丟掉。函數調用 sigsuspend 通過(guò)重置信號掩碼并使進(jìn)程休眠一個(gè)單一的原子操作來(lái)解決這一問(wèn)題。如果您能確保在此時(shí)間窗口中生成的信號不會(huì )有任何 負面影響，那么您可以忽略 sigsuspend 并直接重新設置信號。

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在編譯器層次處理可重用性

我將提出一個(gè)在編譯器層次處理可重入函數的模型?？梢詾楦呒壵Z(yǔ)言引入一個(gè)新的關(guān)鍵字： reentrant，函數可以被指定一個(gè) reentrant 標識符，以此確保函數可重入，比如：

reentrant int foo();

此指示符告知編譯器要專(zhuān)門(mén)處理那個(gè)特殊的函數。編譯器可以將這個(gè)指示符存儲在它的符號表中，并在中間代碼生成階段 使用這個(gè)指示符。為達到此目的，編譯器的前端設計需要有一些改變。此可重入指示符遵循這些準則：

1. 不為連續的調用持有靜態(tài)數據。
2. 通過(guò)制作全局數據的本地拷貝來(lái)保護全局數據。
3. 絕對不調用不可重入的函數。
4. 不返回對靜態(tài)數據的引用，所有數據都由函數的調用者提供。

準則 1 可以通過(guò)類(lèi)型檢查得到保證，如果在函數中有任何靜態(tài)存儲聲明，則拋出錯誤消息。這可以在編譯的語(yǔ)法分析 階段完成。

準則 2，全局數據的保護可以通過(guò)兩種方式得到保證?；镜姆椒ㄊ?，如果函數修改全局數據，則拋出一個(gè)錯誤 消息。一種更為復雜的技術(shù)是以全局數據不被破壞的方式生成中間代碼?？梢栽诰幾g器層實(shí)現類(lèi)似于前面經(jīng)驗 4 的方法。 在進(jìn)入函數時(shí)，編譯器可以使用編譯器生成的臨時(shí)名稱(chēng)存儲將要被操作的全局數據，然后在退出函數時(shí)恢復那些數據。 使用編譯器生成的臨時(shí)名稱(chēng)存儲數據對編譯器來(lái)說(shuō)是常用的方法。

確保準則 3 得到滿(mǎn)足，要求編譯器預先知道所有可重入函數，包括應用程序所使用的程序庫。這些關(guān)于函數的 附加信息可以存儲在符號表中。

最后，準則 4 已經(jīng)得到了準則 2 的保證。如果函數沒(méi)有靜態(tài)數據，那么也就不存在返回靜態(tài)數據的引用的問(wèn)題。

提出的這個(gè)模型將簡(jiǎn)化程序員遵循可重入函數準則的工作，而且使用此模型可以預防代碼出現無(wú)意的可重入性 bug。

參考資料

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點(diǎn)上的 英文原文。
  
  
• 您可以從 The Open Group 的一個(gè) Web 站點(diǎn) unix.org 閱讀或下載 IEEE Std 1003.1（查閱或者下載文檔都需要注冊）。
  
  
• 首先閱讀 輕松使用線(xiàn)程： 同步不是敵人（developerWorks，2001 年 7 月）， 此系列的三篇文章 討論的是使用 Java? 語(yǔ)言編程的線(xiàn)程和并發(fā)問(wèn)題。
  
  
• PowerPC 開(kāi)發(fā)者會(huì )欣賞 Save your code from meltdown using PowerPC atomic instructions （developerWorks，2004 年 11 月）中的深入介紹；它描述了使用 PowerPC 匯編語(yǔ)言 進(jìn)行安全并發(fā)程序設計的技術(shù)。
  
  
• 在 developerWorks Linux 專(zhuān)區 可以找到 更多為 Linux 開(kāi)發(fā)者準備的參考資料。
  
  
• 通過(guò)參與 developerWorks blogs 加入到 developerWorks 社區。
  
  

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