操作系统中的线程安全与可重入函数

1. 问题描述

线程安全（Thread Safety）和可重入性（Reentrancy）是操作系统和多线程编程中的重要概念。它们描述了函数或代码在并发环境中的行为特性：

• 线程安全：当多个线程同时执行同一段代码（如函数）时，无论线程如何调度，代码都能正确工作，且不需要额外的同步机制。
• 可重入函数：函数可在任意时刻被中断（如被信号或中断处理程序打断），并在中断后再次被调用时仍能正确运行。可重入函数一定是线程安全的，但线程安全函数不一定是可重入的。

面试中常问两者的区别、应用场景及实现方式。

2. 为什么需要线程安全与可重入性？

在多线程或中断驱动的系统中，以下问题可能导致错误：

• 竞态条件（Race Condition）：多个线程共享数据时，执行顺序不确定导致结果异常。
• 数据不一致：函数依赖全局变量或静态变量时，多个线程同时修改可能破坏数据完整性。
• 信号中断重入：函数执行时被信号中断，信号处理函数若再次调用该函数，可能破坏其内部状态。

示例：

// 非线程安全函数  
int counter = 0;  
void unsafe_increment() {  
    counter++; // 非原子操作，可能被中断  
}  

若两个线程同时调用unsafe_increment()，counter的最终值可能小于预期（因counter++不是原子操作）。

3. 线程安全的实现方式

方法1：避免共享状态

• 使用局部变量而非全局/静态变量。
• 每个线程维护独立数据（如通过线程局部存储 TLS）。

方法2：同步机制

• 互斥锁（Mutex）：在访问共享资源前加锁，确保同一时间仅一个线程执行临界区代码。

  pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  void safe_increment() {  
      pthread_mutex_lock(&lock);  
      counter++;  
      pthread_mutex_unlock(&lock);  
  }  
  

• 原子操作：使用硬件支持的原子指令（如C11的atomic_fetch_add）。

方法3：设计不变式

• 确保共享数据始终处于一致状态（如通过只读数据或事务内存）。

4. 可重入函数的实现方式

可重入函数需满足以下条件：

1. 不使用全局或静态变量：所有数据通过参数传递。
2. 不调用非可重入函数：如标准库中的malloc、printf可能依赖全局状态。
3. 不修改自身代码（如动态代码修改）。

示例：

// 可重入版本：依赖参数而非全局变量  
int reentrant_increment(int* num) {  
    (*num)++; // 仅操作参数指向的内存  
    return *num;  
}  

此函数可被信号处理函数安全调用，因为它不依赖全局状态。

5. 线程安全与可重入性的关键区别

反例：

• 线程安全但不可重入：使用互斥锁的函数在信号处理中调用可能导致死锁（如信号中断时已持有锁）。
• 可重入函数天然线程安全：因无共享状态，多线程调用无需同步。

6. 实际应用场景

• 可重入函数：信号处理函数、中断服务例程（ISR）、实时系统。
• 线程安全函数：多线程库（如C++的std::cout通过内部锁实现线程安全）。

7. 总结

• 线程安全关注多线程并发下的正确性，可通过同步机制实现。
• 可重入性要求更严格，强调函数在异步中断下的独立性，需避免全局状态。
• 在设计中，优先使用可重入函数以简化并发问题，若必须共享数据，则用锁保证线程安全。