操作系统中的线程安全与可重入函数

描述：
线程安全（Thread Safety）与可重入（Reentrant）是操作系统和并发编程中至关重要的概念。线程安全指多个线程并发调用同一函数或访问同一数据时，不会出现不确定的结果；可重入函数则要求函数在执行过程中可被中断并由其他任务（包括自身）再次调用，且不会破坏其状态。两者常被混淆，但存在关键差异。

解题过程：

1. 线程安全的核心问题

   • 当多个线程共享资源（如全局变量、静态数据）时，若未正确同步，可能导致数据竞争（Data Race）。例如，一个线程在修改全局变量时被中断，另一线程读取了中间状态，得到错误结果。
   • 线程安全的实现方式包括：
     • 互斥锁（Mutex）：通过加锁确保临界区代码仅一个线程执行。
     • 原子操作：使用硬件支持的不可中断指令（如CAS）。
     • 线程局部存储（TLS）：为每个线程创建变量副本，避免共享。

2. 可重入函数的严格要求

   • 可重入函数不仅需线程安全，还需满足：
     • 不依赖静态数据或全局变量（所有数据由调用者提供）。
     • 不调用非可重入函数（如依赖全局状态的库函数）。
     • 例如，strtok()是非可重入的，因为它内部保存了字符串处理的中间状态；而strtok_r()（可重入版本）通过额外参数传递状态。

3. 两者区别与联系

   • 可重入 ⇒ 线程安全：可重入函数天然满足线程安全，因其无共享状态。
   • 线程安全 ⇏ 可重入：线程安全函数可能依赖锁或其他同步机制。若在中断场景下被重入，可能导致死锁（如线程A加锁后中断，线程B试图加锁时阻塞）。
   • 示例分析：

     // 线程安全但不可重入：使用互斥锁保护全局变量  
     static int counter = 0;  
     static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
     void increment() {  
         pthread_mutex_lock(&lock);  
         counter++;  // 若在锁内被中断并重入，会死锁  
         pthread_mutex_unlock(&lock);  
     }  
     
     // 可重入函数：无共享状态  
     int add(int a, int b) {  
         return a + b;  // 仅操作参数，无副作用  
     }  
     

4. 实际应用场景

   • 可重入函数：信号处理函数、中断服务例程（ISR）必须可重入，因为执行可能被更高优先级中断打断。
   • 线程安全函数：多线程环境下的库函数（如C标准库的rand_r()）需线程安全，但可通过锁实现，不要求可重入。

5. 设计原则

   • 优先设计可重入函数：避免共享状态，通过参数传递数据。
   • 若必须共享资源，使用同步机制（如锁）确保线程安全，但需注意避免死锁和性能开销。

总结：
线程安全关注多线程并发下的正确性，可重入性强调函数在中断场景下的安全性。可重入是更严格的线程安全形式，两者共同保障高并发程序的可靠性。