可重入函數和不可重入函數

可重入函數和不可重入函數

【原創文章，轉載請保留或註明出處：http://blog.csdn.net/yinyhy/article/details/8662461】

1.前言

       在實時系統的設計中，經常會出現多個任務調用同一個函數的情況。如果這個函數不幸被設計成爲不可重入的函數的話，那麼不同任務調用這個函數時可能修改其他任務調用這個函數的數據，從而導致不可預料的後果。

2.概念

1）可重入性

       可重入（reentrant）函數可以由多於一個任務併發使用，而不必擔心數據錯誤。相反，不可重入（non-reentrant）函數不能由超過一個任務所共享，除非能確保函數的互斥（或者使用信號量，或者在代碼的關鍵部分禁用中斷）。可重入函數可以在任意時刻被中斷，稍後再繼續運行，不會丟失數據。可重入函數要麼使用本地變量，要麼在使用全局變量時保護自己的數據。

2）可重入函數

       簡單來說，就是可以被中斷的函數。就是說，你可以在這個函數執行的任何時候中斷他的運行，在任務調度下去執行另外一段代碼而不會出現什麼錯誤。而不可重入的函數由於使用了一些系統資源，比如全局變量區，中斷向量表等等，所以他如果被中斷的話，可能出現問題，所以這類函數是不能運行在多任務環境下的。

       可重入函數不爲連續的調用持有靜態數據；不返回指向靜態數據的指針；所有數據都由函數的調用者提供；使用本地數據，或者通過製作全局數據的本地拷貝來保護全局數據；如果必須訪問全局變量，記住利用互斥信號量來保護全局變量；絕不調用任何不可重入函數。
3）不可重入函數

       函數中使用了靜態變量，無論是全局靜態變量還是局部靜態變量；函數返回靜態變量；函數中調用了不可重入函數；函數體內使用了靜態的數據結構；函數體內調用了malloc()或者free()函數；函數體內調用了其他標準I/O函數；函數是singleton中的成員函數而且使用了不使用線程獨立存儲的成員變量。

總的來說，如果一個函數在重入條件下使用了未受保護的共享的資源，那麼它是不可重入的。

3.示例

       在多線程條件下，函數應當是線程安全的，進一步，更強的條件是可重入的。可重入函數保證了在多線程條件下，函數的狀態不會出現錯誤。以下分別是一個不可重入和可重入函數的示例：
//c code
static int tmp;
void func1(int* x, int* y)

{
    tmp=*x; 
    *x=*y; 
    *y=tmp;
}
void func2(int* x, int* y)

{
    int tmp; 
    tmp=*x; 
    *x=*y; 
    *y=tmp;
}
       func1是不可重入的，func2是可重入的。因爲在多線程條件下，操作系統會在func1還沒有執行完的情況下，切換到另一個線程中，那個線程可能再次調用func1，這樣狀態就錯了。

4.編寫規範

（1）對所調用函數的錯誤返回碼要仔細、全面地處理 

（2）明確函數功能，精確（而不是近似）地實現函數設計 

（3）編寫可重入函數時，應注意局部變量的使用（如編寫C/C++語言的可重入函數時，應使用auto即缺省態局部變量或寄存器變量）

說明：編寫C/C++語言的可重入函數時，不應使用static局部變量，否則必須經過特殊處理，才能使函數具有可重入性。

（4）編寫可重入函數時，若使用全局變量，則應通過關中斷、信號量（即P 、V 操作）等手段對其加以保護。

說明：若對所使用的全局變量不加以保護，則此函數就不具有可重入性，即當多個進程調用此函數時，很有可能使有關全局變量變爲不可知狀態。 
示例：假設Exam是int型全局變量，函數Squre_Exam返回Exam平方值。那麼如下函數不具有可重入性。
unsigned int example( int para )
{
    unsigned int temp;
    Exam = para; // （**）
    temp = Square_Exam( );
    return temp;
}

此函數若被多個進程調用的話，其結果可能是未知的，因爲當（**）語句剛執行完後，另外一個使用本函數的進程可能正好被激活，那麼當新激活的進程執行到此函數時，將使Exam賦與另一個不同的para值，所以當控制重新回到“temp = Square_Exam( )”後，計算出的temp很可能不是預想中的結果。此函數應如下改進。
unsigned int example( int para )
{
    unsigned int temp;
    [申請信號量操作]        // 若申請不到“信號量”，說明另外的進程正處於
    Exam =para;            // 給Exam賦值並計算其平方過程中（即正在使用此
    temp = Square_Exam( );  // 信號），本進程必須等待其釋放信號後，纔可繼
    [釋放信號量操作]        // 續執行。若申請到信號，則可繼續執行，但其
                           // 它進程必須等待本進程釋放信號量後，才能再使
                           // 用本信號。
    return temp;
}

（5）在同一項目組應明確規定對接口函數參數的合法性檢查應由函數的調用者負責還是由接口函數本身負責，缺省是由函數調用者負責。

說明：對於模塊間接口函數的參數的合法性檢查這一問題，往往有兩個極端現象，即：要麼是調用者和被調用者對參數均不作合法性檢查，結果就遺漏了合法性檢查這一必要的處理過程，造成問題隱患；要麼就是調用者和被調用者均對參數進行合法性檢查，這種情況雖不會造成問題，但產生了冗餘代碼，降低了效率。

（6）防止將函數的參數作爲工作變量 

說明：將函數的參數作爲工作變量，有可能錯誤地改變參數內容，所以很危險。對必須改變的參數，最好先用局部變量代之，最後再將該局部變量的內容賦給該參數。 
示例：如下函數的實現就不太好。 
void sum_data( unsigned int num, int *data, int *sum )
{
    unsigned int count;
    *sum = 0;
  
    for (count = 0; count < num; count++)
    {
        *sum  += data[count]; // sum成了工作變量，不太好。
    }
}
若改爲如下，則更好些。 
void sum_data( unsigned int num, int *data, int *sum )
{
    unsigned int count ;
    int sum_temp;
    sum_temp = 0;
  
    for (count = 0; count < num; count ++)
    {
        sum_temp  += data[count]; 
    }
  
    *sum = sum_temp;
}

（7）函數的規模儘量限制在200 行以內 

說明：不包括註釋和空格行。 

（8）一個函數僅完成一件功能 

（9）爲簡單功能編寫函數

說明：雖然爲僅用一兩行就可完成的功能去編函數好象沒有必要，但用函數可使功能明確化，增加程序可讀性，亦可方便維護、測試。

示例：如下語句的功能不很明顯。 
value = ( a > b ) ? a : b ;
改爲如下就很清晰了。
int max (int a, int b)
{
    return ((a > b) ? a : b);
}
value = max (a, b);

或改爲如下。

#define MAX (a, b) (((a) > (b)) ? (a) :(b))
value = MAX (a, b);
（10）不要設計多用途面面俱到的函數

說明：多功能集於一身的函數，很可能使函數的理解、測試、維護等變得困難。

（11）函數的功能應該是可以預測的，也就是隻要輸入數據相同就應產生同樣的輸出 

說明：帶有內部“存儲器”的函數的功能可能是不可預測的，因爲它的輸出可能取決於內部存儲器（如某標記）的狀態。這樣的函數既不易於理解又不利於測試和維護。在C/C++語言中，函數的static局部變量是函數的內部存儲器，有可能使函數的功能不可預測，然而，當某函數的返回值爲指針類型時，則必須是STATIC的局部變量的地址作爲返回值，若爲AUTO類，則返回爲錯針。
示例：如下函數，其返回值（即功能）是不可預測的。

unsigned int integer_sum( unsigned int base)
{
    unsigned int index;
    static unsigned int sum = 0; // 注意，是static類型的。
                                // 若改爲auto類型，則函數即變爲可預測。
    for (index = 1; index <= base; index++)
    {
        sum += index;
    }
    return sum;
}

（12）儘量不要編寫依賴於其他函數內部實現的函數

說明：此條爲函數獨立性的基本要求。由於目前大部分高級語言都是結構化的，所以通過具體語言的語法要求與編譯器功能，基本就可以防止這種情況發生。但在彙編語言中，由於其靈活性，很可能使函數出現這種情況。 
示例：如下是在DOS下TASM的彙編程序例子。過程Print_Msg的實現依賴於Input_Msg的具體實現，這種程序是非結構化的，難以維護、修改。
...  // 程序代碼
proc Print_Msg // 過程（函數）Print_Msg
    ...  // 程序代碼
    jmp  LABEL
    ...  // 程序代碼
endp
  
proc Input_Msg // 過程（函數）Input_Msg
    ...  // 程序代碼
LABEL:
    ...  // 程序代碼
endp

（13）避免設計多參數函數，不使用的參數從接口中去掉

說明：目的減少函數間接口的複雜度。

（14）非調度函數應減少或防止控制參數，儘量只使用數據參數

說明：本建議目的是防止函數間的控制耦合。調度函數是指根據輸入的消息類型或控制命令，來啓動相應的功能實體（即函數或過程），而本身並不完成具體功能。控制參數是指改變函數功能行爲的參數，即函數要根據此參數來決定具體怎樣工作。非調度函數的控制參數增加了函數間的控制耦合，很可能使函數間的耦合度增大，並使函數的功能不唯一。

示例：如下函數構造不太合理。 
int add_sub( int a, int b, unsigned char add_sub_flg )
{
    if (add_sub_flg == INTEGER_ADD)
    {
        return (a + b);
    }
    else
    {
        return (a  b);
    }
}
不如分爲如下兩個函數清晰。 
int add( int a, int b )
{
    return (a + b);
}
  
int sub( int a, int b ) 
{
    return (a  b);
}

（15）檢查函數所有參數輸入的有效性 
（16）檢查函數所有非參數輸入的有效性，如數據文件、公共變量等

說明：函數的輸入主要有兩種：一種是參數輸入；另一種是全局變量、數據文件的輸入，即非參數輸入。函數在使用輸入之前，應進行必要的檢查。

（17）函數名應準確描述函數的功能

（18）使用動賓詞組爲執行某操作的函數命名。如果是OOP 方法，可以只有動詞（名詞是對象本身） 
示例：參照如下方式命名函數。 
void print_record( unsigned int rec_ind ) ;
int  input_record( void ) ;
unsigned char get_current_color( void ) ;
（19）避免使用無意義或含義不清的動詞爲函數命名

說明：避免用含義不清的動詞如process、handle等爲函數命名，因爲這些動詞並沒有說明要具體做什麼。

（20）函數的返回值要清楚、明瞭，讓使用者不容易忽視錯誤情況

說明：函數的每種出錯返回值的意義要清晰、明瞭、準確，防止使用者誤用、理解錯誤或忽視錯誤返回碼。

（21）除非必要，最好不要把與函數返回值類型不同的變量，以編譯系統默認的轉換方式或強制的轉換方式作爲返回值返回

（22）讓函數在調用點顯得易懂、容易理解

（23）在調用函數填寫參數時，應儘量減少沒有必要的默認數據類型轉換或強制數據類型轉換

說明：因爲數據類型轉換或多或少存在危險。

（24）避免函數中不必要語句，防止程序中的垃圾代碼

說明：程序中的垃圾代碼不僅佔用額外的空間，而且還常常影響程序的功能與性能，很可能給程序的測試、維護等造成不必要的麻煩。

（25）防止把沒有關聯的語句放到一個函數中

說明：防止函數或過程內出現隨機內聚。隨機內聚是指將沒有關聯或關聯很弱的語句放到同一個函數或過程中。隨機內聚給函數或過程的維護、測試及以後的升級等造成了不便，同時也使函數或過程的功能不明確。使用隨機內聚函數，常常容易出現在一種應用場合需要改進此函數，而另一種應用場合又不允許這種改進，從而陷入困境。

在編程時，經常遇到在不同函數中使用相同的代碼，許多開發人員都願把這些代碼提出來，並構成一個新函數。若這些代碼關聯較大並且是完成一個功能的，那麼這種構造是合理的，否則這種構造將產生隨機內聚的函數。 
示例：如下函數就是一種隨機內聚。 
void Init_Var( void )
{
    Rect.length = 0;
    Rect.width = 0; /* 初始化矩形的長與寬 */
    Point.x = 10;
    Point.y = 10;   /* 初始化“點”的座標 */
}
矩形的長、寬與點的座標基本沒有任何關係，故以上函數是隨機內聚。 
應如下分爲兩個函數： 
void Init_Rect( void )
{
    Rect.length = 0;
    Rect.width = 0; /* 初始化矩形的長與寬 */
}
  
void Init_Point( void )
{
    Point.x = 10;
    Point.y = 10;   /* 初始化“點”的座標 */
}

（26）如果多段代碼重複做同一件事情，那麼在函數的劃分上可能存在問題

說明：若此段代碼各語句之間有實質性關聯並且是完成同一件功能的，那麼可考慮把此段代碼構造成一個新的函數。

（27）功能不明確較小的函數，特別是僅有一個上級函數調用它時，應考慮把它合併到上級函數中，而不必單獨存在

說明：模塊中函數劃分的過多，一般會使函數間的接口變得複雜。所以過小的函數，特別是扇入很低的或功能不明確的函數，不值得單獨存在。

（28）設計高扇入、合理扇出（小於7 ）的函數

說明：扇出是指一個函數直接調用（控制）其它函數的數目，而扇入是指有多少上級函數調用它。

扇出過大，表明函數過分複雜，需要控制和協調過多的下級函數；而扇出過小，如總是1，表明函數的調用層次可能過多，這樣不利程序閱讀和函數結構的分析，並且程序運行時會對系統資源如堆棧空間等造成壓力。函數較合理的扇出（調度函數除外）通常是3-5。扇出太大，一般是由於缺乏中間層次，可適當增加中間層次的函數。扇出太小，可把下級函數進一步分解多個函數，或合併到上級函數中。當然分解或合併函數時，不能改變要實現的功能，也不能違背函數間的獨立性。

扇入越大，表明使用此函數的上級函數越多，這樣的函數使用效率高，但不能違背函數間的獨立性而單純地追求高扇入。公共模塊中的函數及底層函數應該有較高的扇入。

較良好的軟件結構通常是頂層函數的扇出較高，中層函數的扇出較少，而底層函數則扇入到公共模塊中。

（29）減少函數本身或函數間的遞歸調用

說明：遞歸調用特別是函數間的遞歸調用（如A->B->C->A），影響程序的可理解性；遞歸調用一般都佔用較多的系統資源（如棧空間）；遞歸調用對程序的測試有一定影響。故除非爲某些算法或功能的實現方便，應減少沒必要的遞歸調用。

（30）仔細分析模塊的功能及性能需求，並進一步細分，同時若有必要畫出有關數據流圖，據此來進行模塊的函數劃分與組織

說明：函數的劃分與組織是模塊的實現過程中很關鍵的步驟，如何劃分出合理的函數結構，關係到模塊的最終效率和可維護性、可測性等。根據模塊的功能圖或/及數據流圖映射出函數結構是常用方法之一。

（31）改進模塊中函數的結構，降低函數間的耦合度，並提高函數的獨立性以及代碼可讀性、效率和可維護性

優化函數結構時，要遵守以下原則： 
1）不能影響模塊功能的實現。
2）仔細考查模塊或函數出錯處理及模塊的性能要求並進行完善。
3）通過分解或合併函數來改進軟件結構。
4）考查函數的規模，過大的要進行分解。
5）降低函數間接口的複雜度。
6）不同層次的函數調用要有較合理的扇入、扇出。
7）函數功能應可預測。
8）提高函數內聚。（單一功能的函數內聚最高）
說明：對初步劃分後的函數結構應進行改進、優化，使之更爲合理。

（32）在多任務操作系統的環境下編程，要注意函數可重入性的構造

說明：可重入性是指函數可以被多個任務進程調用。在多任務操作系統中，函數是否具有可重入性是非常重要的，因爲這是多個進程可以共用此函數的必要條件。另外，編譯器是否提供可重入函數庫，與它所服務的操作系統有關，只有操作系統是多任務時，編譯器纔有可能提供可重入函數庫。如DOS下BC和MSC等就不具備可重入函數庫，因爲DOS是單用戶單任務操作系統。

（33）避免使用BOOL 參數

說明：原因有二，其一是BOOL參數值無意義，TURE/FALSE的含義是非常模糊的，在調用時很難知道該參數到底傳達的是什麼意思；其二是BOOL參數值不利於擴充。還有NULL也是一個無意義的單詞。

（34）對於提供了返回值的函數，在引用時最好使用其返回值 

（35）當一個過程（函數）中對較長變量（一般是結構的成員）有較多引用時，可以用一個意義相當的宏代替

說明：這樣可以增加編程效率和程序的可讀性。 
示例：在某過程中較多引用TheReceiveBuffer[FirstSocket].byDataPtr，
則可以通過以下宏定義來代替： 
# define pSOCKDATA TheReceiveBuffer[FirstScoket].byDataPtr

5.參考文獻：

http://www.cnblogs.com/parrynee/archive/2010/01/29/1659071.html

http://blog.csdn.net/yueyahe/article/details/729126