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1. 騷動的周五

小黑是大白前同事，現(xiàn)在倆人在不同的公司，但是都做后端開發(fā)工作。

雖然兩個人都在北京，但是距離不算近，一個在望京，一個在中關(guān)村，算是北京幾大IT聚集圈之二了。

兩個人日常除了工作，業(yè)余活動并不多，當(dāng)然頭發(fā)也不多，宇宙中心五道口成了二人的集結(jié)地。

眨了5次眼，又到周五了，仿佛空氣都彌漫著明天放假的歡快氣息，當(dāng)然還有騷動的大白和小黑：

大白看著時間差不多了，檢查完上線監(jiān)控報警，沒啥問題，背上電腦走出了寫字樓。

中關(guān)村到五道口還是比較近的，掃上低碳環(huán)保的青桔單車，一路向北到北大東門轉(zhuǎn)彎來到了五道口地區(qū)。

小黑也坐上13號線，人貼人差點擠成肉餅，美食召喚下他還是在8點準(zhǔn)時到了老地方。

大白：黑哥，你啥時候面的騰訊?掛了?你咋不找我內(nèi)推我們公司呀!

小黑：還沒掛，等GM面呢，你們公司手撕紅黑樹，整不了啊。

大白：就你這樣，這么喜歡穿紅衛(wèi)衣和黑褲子，不問你紅黑樹才怪。話說騰訊都問啥了?

小黑：騰訊的面試整體感覺還是不錯的，面試很寬泛，從操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)到系統(tǒng)設(shè)計、常用組件都會問，并且不偏不怪。

大白：那確實不錯，是本著去挖掘和探測候選人技術(shù)邊界，有啥奈斯的問題嗎?講講啊

小黑：有個問題算是我的盲區(qū)了，給了幾個Linux系統(tǒng)函數(shù)，讓我看哪些是線程安全的，哪些是可重入的，并解釋下為啥。

大白：哦哦，這是考察對線程安全函數(shù)和可重入函數(shù)的理解。那你咋回答的?

小黑：臥槽，我說我不太會呀，然后就jump下一題了。要不你給我講講?我先干一個!

小黑說完，噸噸噸，一大杯啤酒下肚了，大白見狀扶了扶好幾年沒換的眼鏡，開始和小黑討論什么是線程安全和可重入。

2. 多線程和并發(fā)

在使用C++開發(fā)的服務(wù)端程序中多線程還是主流，一般來說會有個線程池來處理接收的請求，這樣可以有效提供服務(wù)器的并發(fā)能力和CPU的利用率。

但是，多線程也是一把雙刃劍。

單線程模式下，一切都是那么單調(diào)而穩(wěn)定，所有的資源都是自己的，我的資源我做主。

多線程模式下，一個進(jìn)程下裝載了多個線程，每個線程除了部分資源是獨享外，多個線程對大部分系統(tǒng)資源是共享的。

多個線程共享的進(jìn)程資源：

• 內(nèi)存
• 文件描述符
• 地址空間
• 全局?jǐn)?shù)據(jù)
• ...

每個線程獨享的資源：

• 線程寄存器
• 線程棧
• 線程ID、錯誤返回碼、信號屏蔽碼
• ...

敲黑板劃重點：

1.進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，線程是CPU調(diào)度和分派的基本單位;

2.進(jìn)程是線程的載體，進(jìn)程有獨立地址空間，所有線程共享所在進(jìn)程的地址空間;

3.進(jìn)程是系統(tǒng)資源的大股東，而線程基本上不擁有系統(tǒng)資源，只占用少量在運行中必不可少的資源，比如程序計數(shù)器、一組寄存器和調(diào)用棧;

同一個進(jìn)程中的多個線程有點像合租，大家共用大部分資源，自己獨占一小部分資源，相互影響，然而但單進(jìn)程單線程就是整租，自己獨占所有資源，誰也不影響。

掌握多線程中資源共享和相互影響的特點之后，再來看看線程安全和可重入就容易很多。

3. 什么是線程安全

計算機(jī)中所謂的安全大多是指結(jié)果的正確且可預(yù)測性。

前面我們知道，多線程運行起來雖然可以提高并發(fā)能力，但是多個線程會共享很多資源，比如寫全局?jǐn)?shù)據(jù)，這種情況下就需要額外干預(yù)，否則將引發(fā)錯亂的結(jié)果。

線程安全是在擁有共享數(shù)據(jù)的多條線程并行執(zhí)行的進(jìn)程中，可以正常且正確的執(zhí)行，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)污染等意外情況，反之則稱為線程不安全。

通俗一點講，線程安全就怎么跑都不亂，線程不安全就是一跑就可能五花八門。

所以可能產(chǎn)生線程不安全根本原因在于：共享數(shù)據(jù)且共享數(shù)據(jù)可變。

這些共享數(shù)據(jù)包括全局變量、局部靜態(tài)變量等，每個線程都可能對這個數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，并且操作結(jié)果會影響其他線程。

我們還經(jīng)常提到另外一個術(shù)語：線程安全函數(shù)/線程安全類。

線程安全函數(shù)的一些特征：

• 無任何共享的數(shù)據(jù)，都是局部數(shù)據(jù);
• 存在寫共享數(shù)據(jù)，但是進(jìn)行了加鎖處理，可以實現(xiàn)多線程的同步調(diào)用;
• 存在讀但無寫共享數(shù)據(jù)，無需加鎖;

從圖中可以看到：

• 同一進(jìn)程內(nèi)有四個工作線程;
• 公共函數(shù)A 只執(zhí)行打印操作，無論何時何線程調(diào)用，結(jié)果都是確定且正確的，因此是線程安全函數(shù);
• 公共函數(shù)B 使用了全局變量Count，并對其進(jìn)行遞增1操作，但是沒有進(jìn)行加鎖同步處理，因此結(jié)果是不確定的，為線程不安全函數(shù);
• 公共函數(shù)C 使用了全局變量Factor，并對其進(jìn)行遞增2操作，使用了互斥鎖進(jìn)行同步確保結(jié)果的正確，是線程安全函數(shù);

在編寫多線程程序時，如果涉及多個線程操作一個公共函數(shù)，如果該函數(shù)本身不是線程安全的。

例如當(dāng)一個函數(shù)F是線程安全函數(shù)，但是F調(diào)用線程不安全函數(shù)G時，同樣需要對G進(jìn)行加鎖處理，否則函數(shù)F也將不安全。

在《深入理解計算機(jī)系統(tǒng)》一書中深入指出了線程不安全函數(shù)的分類：

• 不保護(hù)共享產(chǎn)量的函數(shù)
• 保持跨越多個調(diào)用狀態(tài)的函數(shù)
• 返回指向靜態(tài)變量的指針的函數(shù)
• 調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)

前面介紹的幾個例子大部分都是全局變量的不加鎖控制相關(guān)的，還有兩種就是：

• 函數(shù)本次調(diào)用依賴于上次調(diào)用結(jié)果，也就是所謂的跨狀態(tài)，典型的Linux中的rand()函數(shù);
• 函數(shù)將結(jié)果放在一個全局的指針中，典型的gethostbyname、localtime、strtok等;

// 函數(shù)原型 
struct tm * localtime(const time_t *clock); 
 
/* localtime example */ 
#include <stdio.h>  
#include <time.h>  
 
int main () 
{ 
  time_t rawtime; 
  struct tm * timeinfo; 
 
  time (&rawtime); 
  timeinfo = localtime (&rawtime); 
 
  return 0; 
} 

在localtime中將結(jié)果存放在timeinfo中，這個全局變量可以被任意的線程操作，因此將引發(fā)線程不安全。

對于Linux中線程不安全的函數(shù)可以查閱：

https://man7.org/linux/man-pages/man7/pthreads.7.html 

4. 可重入函數(shù)

在理解了線程安全的相關(guān)定義和形成原因之后，我們來看下什么是可重入。

先來看看可重入的相關(guān)定義：

一個程序可以在任意時刻被中斷，然后系統(tǒng)去執(zhí)行另外一段代碼，結(jié)束后又調(diào)用繼續(xù)原來的子程序不會出錯，則稱其為可重入(reentrant或re-entrant)。

從根本上來說：

• 可重入函數(shù)只使用自己棧上的變量，不依賴任何外部數(shù)據(jù)，可以允許有該函數(shù)的多個副本在運行，因為每個調(diào)用者產(chǎn)生的函數(shù)棧都是相互獨立的;
• 不可重入函數(shù)使用了一些系統(tǒng)資源，如果被中斷的話，可能會出現(xiàn)問題;

可重入函數(shù)又分為兩大類：

• 顯式可重入：所有函數(shù)的參數(shù)都是值傳遞，并且只使用本地棧變量，那么函數(shù)就是顯示可重入的，無論如何調(diào)用，都是可重入的，是絕對無條件的。
• 隱式可重入：可重入函數(shù)中的一些參數(shù)是引用傳遞，只有在調(diào)用線程的時候傳遞指向非共享數(shù)據(jù)的指針時，它才是可重入的，是相對有條件的。

可重入函數(shù)需要滿足以下幾個條件：

• 函數(shù)內(nèi)部不使用靜態(tài)或者全局?jǐn)?shù)據(jù)
• 函數(shù)不返回靜態(tài)或全局?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都由調(diào)用者提供
• 不調(diào)用不可重入函數(shù)

從本質(zhì)上來說，可重入函數(shù)實現(xiàn)了算法和數(shù)據(jù)的分離，函數(shù)內(nèi)部的計算不依賴于外部，不影響也不受外部影響，是一種高效且安全的函數(shù)。

可重入函數(shù)都是線程安全函數(shù)，線程安全不一定是可重入函數(shù)。

不可重入函數(shù)可以遵守可重入規(guī)則去改造，從而變?yōu)榭芍厝牒瘮?shù)。

5. 小結(jié)

本文從多線程并發(fā)編程的一些特征進(jìn)行闡述，引出了多線程下資源的共享本質(zhì)。

正因為臨界資源和競態(tài)條件的存在，就產(chǎn)生了線程安全問題，在編寫多線程程序時一定要考慮線程不安全帶來的問題。

在理解線程安全的概念之后進(jìn)一步引出了可重入函數(shù)。

從本質(zhì)上來說，都是并發(fā)環(huán)境下由于共享資源帶來的問題。

就這樣，小黑聽完之后雖然一知半解，但也頻頻點頭，一看表快10點了，兩個打工人結(jié)完賬，消失在了去13號線五道口站的夜色中。