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若一個程序或子程序可以“安全的被並行執行(Parallel computing)”,則稱其爲可重入(reentrant或re-entrant)的。即當該子程序正在運行時,可以再次進入並執行它(並行執行時,個別的執行結果,都符合設計時的預期)。可重入概念是在單線程操作系統的時代提出的。一個子程序的重入,可能由於自身原因,如執行了jmp或者call,類似於子程序的遞歸調用;或者由於硬件中斷,UNIX系統的signal的處理,即子程序被中斷處理程序或者signal處理程序調用。重入的子程序,按照後進先出線性序依次執行。
若一個函數是可重入的,則該函數:
- 不能含有靜態(全局)非常量數據。
- 不能返回靜態(全局)非常量數據的地址。
- 只能處理由調用者提供的數據。
- 不能依賴於單實例模式資源的鎖。
- 不能調用(call)不可重入的函數(有呼叫(call)到的函數需滿足前述條件)。
多“用戶/對象/進程優先級”以及多進程,一般會使得對可重入代碼的控制變得複雜。同時,IO代碼通常不是可重入的,因爲他們依賴於像磁盤這樣共享的、單獨的(類似編程中的靜態(Static)、全域(Global))資源。
可重入性是函數編程語言的關鍵特性之一。
例子
在以下的C語言代碼中,函數f
和函數g
都不是可重入的。
int g_var = 1; int f() { g_var = g_var + 2; return g_var; } int g() { return f() + 2; }
以上代碼中,f
使用了全局變量 g_var,所以,如果兩個線程同時執行它並訪問g_var
,則返回的結果取決於執行的時間。因此,f
不可重入。而g
調用了f
,所以它也不可重入。
稍作修改後,兩個函數都是可重入的:
int f(int i) { return i + 2; } int g(int i) { return f(i) + 2; }
與線程安全的關係
可重入與線程安全兩個概念都關係到函數處理資源的方式。但是,他們有一定的區別。可重入概念會影響函數的外部接口,而線程安全只關心函數的實現。
- 大多數情況下,要將不可重入函數改爲可重入的,需要修改函數接口,使得所有的數據都通過函數的調用者提供。
- 要將非線程安全的函數改爲線程安全的,則只需要修改函數的實現部分。一般通過加入同步機制以保護共享的資源,使之不會被幾個線程同時訪問。
線程安全與可重入性是兩個不同性質的概念。可重入是在單線程操作系統背景下,重入的函數或者子程序,按照後進先出的線性序依次執行完畢。多線程執行的函數或子程序,各個線程的執行時機是由操作系統調度,不可預期的,但是該函數的每個執行線程都會不時的獲得CPU的時間片,不斷向前推進執行進度。可重入函數未必是線程安全的;線程安全函數未必是可重入的。例如,一個函數打開某個文件並讀入數據。這個函數是可重入的,因爲它的多個實例同時執行不會造成衝突;但它不是線程安全的,因爲在它讀入文件時可能有別的線程正在修改該文件,爲了線程安全必須對文件加“同步鎖”。另一個例子,函數在它的函數體內部訪問共享資源使用了加鎖、解鎖操作,所以它是線程安全的,但是卻不可重入。因爲若該函數一個實例運行到已經執行加鎖但未執行解鎖時被停下來,系統又啓動該函數的另外一個實例,則新的實例在加鎖處將轉入等待。如果該函數是一箇中斷處理服務,在中斷處理時又發生新的中斷將導致資源死鎖。
下述例子,是線程安全的,但不是可重入的。
int function() { mutex_lock(); ... function body ... mutex_unlock(); }
多線程執行時,獲得了互斥鎖的線程總能獲得CPU時間片,向前推進執行進度,最終解開互斥鎖,使得別的線程也能獲得互斥鎖進入臨界區。但是,如果在單線程背景下第一次執行該函數時已經獲得互斥鎖進入臨界區,這時該函數被重入執行,這將在重新申請互斥鎖時被餓死(starvation),因爲獲得了互斥鎖的該函數的第一次執行將永遠沒有機會再獲得CPU時間片。