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当一个被捕获的信号被一个进程处理时进程执行的普通的指令序列会被一个信号处理器暂时地中断。它首先执行该信号处理程序中的指令。如果从信号处理程序返回例如没有调用exit或longjmp则继续执行在捕获到信号时进程正在执行的正常指令序列这和当一个硬件中断发生时所发生的事情相似。但是在信号处理器里我们并不知道当信号被捕获时进程正在执行哪里的代码。如果进程正使用malloc在它的堆上分配额外的内存而此时由于捕捉到信号而插入执行该信号处理程序其中又调用了malloc这会发生什么呢或者如果进程正调用一个把结果存储在一个静态区域里的函数到一半比如 getpwnam而我们在信号处理器里调用相同的函数又会发生什么呢在malloc的例子里进程可能会遭到严重破坏因为malloc通常维护它 所有分配过的区域的链表而插入执行信号处理程序时进程可能正在更改此链接表。在getpwnam的例子里返回给普通调用者的信息可能被返回给信号处理器的信息覆盖。
SUS规定了必须保证是可以再入的函数。下表列出了这些再入函数 一个可重入的函数简单来说就是可以被中断的函数也就是说可以在这个函数执行的任何时刻中断它转入OS 调度下去执行另外一段代码而返回控制时不会出现什么错误。可重入reentrant函数可以由多于一个任务并发使用而不必担心数据错误。相反 不可重入non-reentrant函数不能由超过一个任务所共享除非能确保函数的互斥 或者使用信号量或者在代码的关键部分禁用中断。可重入函数可以在任意时刻被中断 稍后再继续运行不会丢失数据。可重入函数要么使用本地变量要么在使用全局变量时 保护自己的数据。信号安全其实也就是异步信号安全是说线程在信号处理函数当中不管以任何方式调用你的这个函数如果不死锁不修改数据那就是信号安全的。因此我认为可重入与异步信号安全是一个概念 。
线程安全
线程安全一个函数被称为线程安全的当且仅当被多个并发线程反复的调用时它会一直产生正确的结果。有一类重要的线程安全函数叫做可重入函数其特点在于它们具有一种属性当它们被多个线程调用时不会引用任何共享的数据。尽管线程安全和可重入有时会 不正确的 被用做同义词但是它们之间还是有清晰的技术差别的。可重入函数是线程安全函数的一个真子集。
可重入与线程安全的区别及联系
可重入函数重入即表示重复进入首先它意味着这个函数可以被中断其次意味着它除了使用自己栈上的变量以外不依赖于任何环境包括static 这样的函数就是purecode 纯代码可重入可以允许有该函数的多个副本在运行由于它们使用的是分离的栈所以不会互相干扰。可重入函数是线程安全函数但是反过来线程安全函数未必是可重入函数。实际上可重入函数很少APUE 10.6 节中描述了Single UNIX Specification 说明的可重入的函数只有115 个APUE 12.5 节中描述了POSIX.1 中不能保证线程安全的函数只有89 个。信号就像硬件中断一样会打断正在执行的指令序列。信号处理函数无法判断捕获到信号的时候进程在何处运行。如果信号处理函数中的操作与打断的函数的操作相同而且这个操作中有静态数据结构等当信号处理函数返回的时候当然这里讨论的是信号处理函数可以返回恢复原先的执行序列可能会导致信号处理函数中的操作覆盖了之前正常操作中的数据。
不可重入的几种情况
使用静态数据结构比如getpwnamgetpwuid如果信号发生时正在执行getpwnam信号处理程序中执行getpwnam可能覆盖原来getpwnam获取的旧值
调用malloc或free如果信号发生时正在malloc修改堆上存储空间的链接表信号处理程序又调用malloc会破坏内核的数据结构使用标准IO函数因为好多标准IO的实现都使用全局数据结构比如printf(文件偏移是全局的)函数中调用longjmp或siglongjmp信号发生时程序正在修改一个数据结构处理程序返回到另外一处导致数据被部分更新。
即使对于可重入函数在信号处理函数中使用也需要注意一个问题就是errno 。一个线程中只有一个errno 变量信号处理函数中使用的可重入函数也有可能 会修改errno 。例如read 函数是可重入的但是它也有可能会修改errno 。因此正确的做法是在信号处理函数开始先保存errno 在信号处 理函数退出的时候再恢复errno 。例如程序正在调用printf 输出但是在调用printf 时出现了信号对应的信号处理函数也有printf 语句就会导致两个printf 的输出混杂在一起。如果是给printf 加锁的话同样是上面的情况就会导致死锁。对于这种情况采用的方法一般是在特定的区域屏蔽一定的信号。
屏蔽信号的方法
signal(SIGPIPE, SIG_IGN); // 忽略一些信号
sigprocmask()// sigprocmask 只为单线程定义的
pthread_sigmask(); // pthread_sigmasks 可以在多线程中使用
现在看来信号异步安全和可重入的限制似乎是一样的所以这里把它们等同看待;
线程安全如果一个函数在同一时刻可以被多个线程安全的调用就称该函数是线程安全的。Malloc 函数是线程安全的。不需要共享时请为每个线程提供一个专用的数据副本。如果共享非常重要则提供显式同步以确保程序以确定的方式操作。通过将过程包含在语句中来锁定和解除锁定互斥可以使不安全过程变成线程安全过程而且可以进行串行化。很多函数并不是线程安全的因为他们返回的数据是存放在静态的内存缓冲区中的。通过修改接口由调用者自行提供缓冲区就可以使这些函数变为线程安全的。操作系统实现支持线程安全函数的时候会对POSIX.1 中的一些非线程安全的函数提供一些可替换的线程安全版本。例如,gethostbyname() 是线程不安全的在Linux 中提供了gethostbyname_r() 的线程安全实现。函数名字后面加上 _r 以表明这个版本是可重入的对于线程可重入也就是说是线程安全的但并不是说对于信号处理函数也是可重入的或者是异步信号安全的。多线程程序中常见的疏忽性问题:
将指针作为新线程的参数传递给调用方栈。在没有同步机制保护的情况下访问全局内存的共享可更改状态。两个线程尝试轮流获取对同一对全局资源的权限时导致死锁。其中一个线程控制第一种资源另一个线程控制第二种资源。其中一个线程放弃之前任何一个线程都无法继续操作。尝试重新获取已持有的锁递归死锁。在同步保护中创建隐藏的间隔。如果受保护的代码段包含的函数释放了同步机制而又在返回调用方之前重新获取了该同步机制则将在保护中出现此间隔。结果具有误导性。对于调用方表面上看全局数据已受到保护而实际上未受到保护。将UNIX 信号与线程混合时使用sigwait(2) 模型来处理异步信号。调用setjmp(3C) 和longjmp(3C) 然后长时间跳跃而不释放互斥锁。从对*_cond_wait() 或 *_cond_timedwait() 的调用中返回后无法重新评估条件。 资料直通车Linux内核源码技术学习路线视频教程内核源码 学习直通车Linux内核源码内存调优文件系统进程管理设备驱动/网络协议栈 总结
判断一个函数是不是可重入函数在于判断其能否可以被打断打断后恢复运行能够得到正确的结果。打断执行的指令序列并不改变函数的数据判断一个函数是不是线程安全的在于判断其能否在多个线程同时执行其指令序列的时候保证每个线程都能够得到正确的结果。如果一个函数对多个线程来说是可重入的则说这个函数是线程安全的但这并不能说明对信号处理程序来说该函数也是可重入的。如果函数对异步信号处理程序的重入是安全的那 么就可以说函数是” 异步-信号安全 ” 的。
可重入与线程安全是两个独立的概念 都与函数处理资源的方式有关。首先可重入和线程安全是两个并不等同的概念一个函数可以是可重入的也可以是线程安全的可以两者均满足可以两者皆不满足( 该描述严格的说存在漏洞参见第二条) 。其次从集合和逻辑的角度看可重入是线程安全的子集可重入是线程安全的充分非必要条件。可重入的函数一定是线程安全的然过来则不成立。第三POSIX 中对可重入和线程安全这两个概念的定义
Reentrant Function :A function whose effect, when called by two or more threads,is guaranteed to be as if the threads each executed thefunction one after another in an undefined order, even ifthe actual execution is interleaved.Thread-Safe Function A function that may be safely invoked concurrently by multiple threads.Async-Signal-Safe Function A function that may be invoked, without restriction fromsignal-catching functions. No function is async-signal -safe unless explicitly described as such
以上三者的关系为可重入函数 必然 是 线程安全函数 和 异步信号安全函数线程安全函数不一定是可重入函数。
可重入与线程安全的区别体现在能否在signal 处理函数中被调用的问题上 可重入函数在signal 处理函数中可以被安全调用因此同时也是 Async-Signal-Safe Function 而线程安全函数不保证可以在signal 处理函数中被安全调用如果通过设置信号阻塞集合等方法保证一个非可重入函数不被信号中断那么它也是Async-Signal-Safe Function。
值得一提的是POSIX 1003.1 的 System Interface 缺省是 Thread-Safe 的但不是Async-Signal-Safe 的。Async-Signal-Safe 的需要明确表示比如fork () 和signal() 。
一个非可重入函数通常( 尽管不是所有情况下) 由它的外部接口和使用方法即可进行判断。例如strtok() 是非可重入的因为它在内部存储了被标记分割的字符串ctime() 函数也是非可重入的它返回一个指向静态数据的指针而该静态数据在每次调用中都被覆盖重写。
一个线程安全的函数通过加锁的方式来实现多线程对共享数据的安全访问。线程安全这个概念只与函数的内部实现有关而不影响函数的外部接口。在 C 语言中局部变量是在栈上分配的。因此任何未使用静态数据或其他共享资源的函数都是线程安全的。
目前的 AIX 版本中以下函数库是线程安全的
C 标准函数库与BSD 兼容的函数库
使用全局变量( 的函数) 是非线程安全的。这样的信息应该以线程为单位进行存储这样对数据的访问就可以串行化。一个线程可能会读取由另外一个线程生成的错误代码。在AIX 中每个线程有独立的errno 变量。
最后让我们来构想一个线程安全但不可重入的函数:
假设函数func() 在执行过程中需要访问某个共享资源因此为了实现线程安全在使用该资源前加锁在不需要资源解锁。
假设该函数在某次执行过程中在已经获得资源锁之后有异步信号发生程序的执行流转交给对应的信号处理函数再假设在该信号处理函数中也需要调用函数 func() 那么func() 在这次执行中仍会在访问共享资源前试图获得资源锁然而我们知道前一个func() 实例已然获得该锁因此信号处理函数阻塞——另一方面信号处理函数结束前被信号中断的线程是无法恢复执行的当然也没有释放资源的机会这样就出现了线程和信号处理函数之间的死锁局面。
因此func() 尽管通过加锁的方式能保证线程安全但是由于函数体对共享资源的访问因此是非可重入。 原文作者一起学嵌入式
