函数可重入性（Reentrancy)概念详解

本文主要是介绍函数可重入性（Reentrancy)概念详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1.什么是可重入性

重入一般可以理解为一个函数在同时多次调用，例如操作系统在进程调度过程中，或者单片机、处理器等的中断的时候会发生重入的现象。

可重入的函数必须满足以下三个条件：

（1）可以在执行的过程中可以被打断；

（2）被打断之后，在该函数一次调用执行完之前，可以再次被调用（或进入，reentered)。

（3）再次调用执行完之后，被打断的上次调用可以继续恢复执行，并正确执行。

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。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）。

通常，以下几种情况会受到可重入性的制约：

（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。
众所周知，在进程中断期间，系统会保存和恢复进程的上下文，然而恢复的上下文仅限于返回地址，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。打个比方，比如malloc，将如一个进程此时正在执行malloc分配堆空间，此时程序捕捉到信号发生中断，执行信号处理程序中恰好也有一个malloc，这样就会对进程的环境造成破坏，因为malloc通常为它所分配的存储区维护一个链接表，插入执行信号处理函数时，进程可能正在对这张表进行操作，而信号处理函数的调用刚好覆盖了进程的操作，造成错误。

（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。

常见的不可重入函数有：
printf --------引用全局变量stdout
malloc --------全局内存分配表
free    --------全局内存分配表

2.可重入与线程安全

可重入的定义源于单线程环境。在单线程环境下，一段代码在执行中可能被硬件中断，并转而调用中断服务程序（ISR）。在本次调用中断处理函数之前，有可能中断处理函数已经在执行。因此，任何中断处理函数都应该是可重入的。

线程安全的概念则源自于多线程环境。可见，他们的起源是不一样的。那么，他们没有什么必然关系呢。可总结如下：

（1）一个线程安全的函数不一定是可重入的；

（2）一个可重入的函数缺也不一定是线程安全的！

3.不可重入的危害

在单线程进程中，只存在一个控制流。因此，这些进程所执行的代码无需重入或是线程安全的。在多线程程序中，相同的功能和资源可以通过多个控制流并发访问。

要保护资源的完整性，编写的多线程程序代码必须能重入并是线程安全的。不可重入对多线程环境的危害是很大的，甚至会造成系统崩溃。

4.不可重入的例子

4.1 不可重入且线程不安全

下面这个swap函数是不可重入的：

可以把t改成线程局部变量，使得该函数变成线程安全。然而，这样修改的话，swap函数依然是不可重入的。例如一个线程已经在执行swap函数，这个时候在同样的语境下收到硬件中断，isr()函数会被调用，进而调用swap，swap的不可重入问题就暴露出来了。

4.2 可重入但是线程安全

我们做一定修改，在swap函数里，在交换前，对此时刻的t全局变量做一个本地的缓存，在交换结束的时候，始终使用该缓存。这样的话，swap函数在退出的时候，全局变量的之跟进入的时候是一样的。这样，就可以保证该函数是线程可重入的。代码如下：

5.预防不可重入的几个原则

原则总结如下：

（1）不要使用static变量和全局变量，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malloc/new。

6.优秀实践：如何优化已有代码，使函数成为可重入？

/* 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;
}

/* 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;
}

/* 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;
}

使用调用程序提供的存储量使非重入标准 C 库子例程重入。

6.2 在连续调用中保存数据的函数是不可重入的，如何修改？

在连续调用中将不保存任何数据，因为不同的线程可能连续地调用该函数。如果函数必须在连续调用中保存某些数据，比如工作缓存或指针，那么调用程序应提供该数据。

/* 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;
}

/* 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;
}

char *my_string;
char my_char;
int my_index;
...
my_index = 0;
while (my_char = reentrant_lowercase_c(my_string, &my_index)) {...
}

7.参考文献

1.http://publib.boulder.ibm.com/infocenter/aix/v7r1/index.jsp?topic=%2Fcom.ibm.aix.genprogc%2Fdoc%2Fgenprogc%2Fwriting_reentrant_thread_safe_code.htm

2.http://en.wikipedia.org/wiki/Reentrancy_%28computing%29

这篇关于函数可重入性（Reentrancy)概念详解的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！