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可重入函數

鎖定
可重入函數主要用於多任務環境中，一個可重入的函數簡單來説就是可以被中斷的函數，也就是説，可以在這個函數執行的任何時刻中斷它，轉入OS調度下去執行另外一段代碼，而返回控制時不會出現什麼錯誤；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，所以它如果被中斷的話，可能會出現問題，這類函數是不能運行在多任務環境下的。
中文名
可重入函數
外文名
Reentrant Function
用    於
多任務環境
釋    義
可以被中斷的函數
相    關
不可重入函數

目錄

  1. 1 簡介
  2. 2 注意事項
  1. 3 示例
  2. 4 與線程安全的關係
  1. 5 不可重入

可重入函數簡介

可重入函數也可以這樣理解，重入即表示重複進入，首先它意味着這個函數可以被中斷，其次意味着它除了使用自己棧上的變量以外不依賴於任何環境（包括static），這樣的函數就是purecode（純代碼）可重入，可以允許有多個該函數的副本在運行，由於它們使用的是分離的棧，所以不會互相干擾。如果確實需要訪問全局變量（包括static），一定要注意實施互斥手段。可重入函數在並行運行環境中非常重要，但是一般要為訪問全局變量付出一些性能代價。 [1] 

可重入函數注意事項

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。
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，即當多個線程調用此函數時，很有可能使有關全局變量變為不可知狀態。 [2] 

可重入函數示例

假設Exam是int型全局變量，函數Square_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，因為當（**）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賦予另一個不同的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] //(1)
Exam = para;
temp = Square_Exam( );
[釋放信號量操作]
return temp;
}
若申請不到“信號量”，説明另外的進程正處於給Exam賦值並計算其平方過程中（即正在使用此信號），本進程必須等待其釋放信號後，才可繼續執行。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。
保證函數的可重入性的方法：在寫函數時候儘量使用局部變量（例如寄存器、堆棧中的變量），對於要使用的全局變量要加以保護（如採取關中斷、信號量等方法），這樣構成的函數就一定是一個可重入的函數。
VxWorks中採取的可重入的技術有：
* 動態堆棧變量（各子函數有自己獨立的堆棧空間）
* 受保護的全局變量和靜態變量
* 任務變量 [2] 

可重入函數與線程安全的關係

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，他們有重大區別：
  • 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為可重入的，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為線程安全的，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。
  • 操作系統背景與CPU調度策略：
    • 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，因為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，因為在它讀入文件時可能有別的線程正在修改該文件，為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。因為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。fprintf函數就是線程安全但不可重入。 [1] 

可重入函數不可重入

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。如果這個函數被設計成為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用到的數據，從而導致不可預料的後果。那麼什麼是可重入函數呢？所謂可重入函數是指一個可以被多個任務調用的函數(過程)，任務在調用時不必擔心數據是否會出錯。不可重入函數在實時系統設計中被視為不安全函數。 [1] 
滿足下列條件的函數多數是不可重入的：
1) 函數體內使用了靜態的數據結構；
2) 函數體內調用了malloc()或者free()函數；
3) 函數體內調用了標準I/O函數。
下面舉例加以説明。
A. 可重入函數
void strcpy(char *lpszDest, char *lpszSrc) {
while(*lpszDest++=*lpszSrc++);
*dest=0;
}
B. 不可重入函數1
char cTemp;//全局變量
void SwapChar1(char *lpcX, char *lpcY) {
cTemp=*lpcX;
*lpcX=*lpcY;
lpcY=cTemp;//訪問了全局變量
}
C. 不可重入函數2
void SwapChar2(char *lpcX,char *lpcY) {
static char cTemp;//靜態局部變量
cTemp=*lpcX;
*lpcX=*lpcY;
lpcY=cTemp;//使用了靜態局部變量
}
參考資料
  • 1.    "Writing Reentrant and Thread-Safe Code," from AIX Version 4.3 General Programming Concepts: Writing and Debugging Programs, 2nd edition, 1999.
  • 2.    魏青松. 實時操作系統中可移植TCP/IP協議棧的研究與實現[D]. 成都理工大學, 2001.