一文搞懂可重入和线程安全

简介: 一文搞懂可重入和线程安全

关于线程安全的概念,在之前写线程的时候提过:

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地调用时,它会一直产生正确的结果。
如果一个函数不是线程安全的,我们就说它是线程不安全的

而可重入的概念,第一次见还是在游双的《Linux高性能服务器编程》一书中:

inet_ntoa函数将网络字节序整数表示的IPv4地址转化为用点分十进制字符串表示的IPv4地址。
但需要注意的是,该函数内部用一个静态变量存储转化结果,函数的返回值指向该静态内存,因此inet_ntoa是不可重入的。代码清单揭示了其不可重入性:
char *szValue1 = inet_ntoa("1.2.3.4");
char *szValue2 = inet_ntoa("10.194.71.60");
printf("address 1: %s\n", szValue1);
printf("address 2: %s\n", szValue2);

运行这段代码,得到的结果是:

address1: 10.194.71.60
address2: 10.194.71.60

所以,可重入与线程安全到底是什么,又有什么区别呢?

这里以Qt官方文档为蓝本,翻译一下:

一个线程安全的函数可以被多个线程同时调用,即使调用使用共享数据,因为对共享数据的所有引用都是序列化的(串行的)

一个可重入函数也可以被多个线程同时调用,但前提是每个调用都使用自己的数据。

因此,线程安全的函数总是可重入的,但可重入的函数并不总是线程安全的。

c++类通常是可重入的,这是因为它们只访问自己的成员数据。任何线程都可以调用可重入类实例中的成员函数,只要没有其他线程可以同时调用该类的同一个实例上的成员函数。例如,下面的Counter类是可重入的:

class Counter
 {
  public:
      Counter() { n = 0; }
      void increment() { ++n; }
      void decrement() { --n; }
      int value() const { return n; }
  private:
      int n;
 };

但却不是线程安全的,如果多个线程同时试图修改成员变量n,结果是未定义的,因为++或–操作并不是原子的。实际上,它们通常会扩展到三条机器指令:

将变量的值装入寄存器
增加或减少寄存器的值
将寄存器的值存储回主存

如果线程A和线程B同时加载变量的旧值,增加它们的寄存器,并存储它,它们最终会相互覆盖,变量只增加一次!

而下面这个例子是线程安全的:

class Counter
{
  public:
      Counter() { n = 0; }
      void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }
      void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }
      int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }
  private:
      mutable QMutex mutex;
      int n;
};

因为即使多个线程同时修改变量n,有了互斥锁的控制,可以保证变量修改的原子性。

再来看一段《Qt中的C++技术》一书中关于这两个概念的描述:

可重入类(reentrant class)的不同对象可以被自由使用,即使它们处于不同的线程,但是这种类的同一个对象却不能够被多个线程同时使用。
而线程安全(thread-safe)类的对象可以被自由使用,即使该类的同一个对象被多个线程同时使用。
当一个函数满足以下条件时,我们称它是线程安全的(thread-safe):当多个线程同时调用该函数时,即使在不同线程中该函数访问了同一块内存,
这些访问也会安排为顺序进行的,使得每个线程中该函数的执行结果是确定的。如果一个类的所有成员函数都是线程安全的,我们称这个类是线程安全的。
对于线程安全的类,我们可以在多个线程中同时访问该类的一个对象,不用担心该对象的数据会被破坏。
对于类,一个稍宽松的条件是可重入(reentrant):如果多个线程能够安全地访问一个类的不同对象,我们称这个类是可重入的。
一般情况下,如果一个类不访问全局对象或者其他共享数据,该类就是可重入的。
而具有以下形态的类则是不可重入的:具有静态数据成员;某个或者某些成员函数的内部定义了静态局部变量;
某个数据成员是指针,而该类多个对象的这个指针指向同一块内存。

这也就解释了为什么inet_ntoa函数是不可重入的。

参考资料

[1] 游双.Linux高性能服务器编程[M].北京:机械工业出版社,2013.

[2] 张波.Qt中的C++技术[M].北京:电子工业出版社,2012.7

相关文章
|
6月前
|
存储 安全 Java
剑指JUC原理-4.共享资源和线程安全性(上)
剑指JUC原理-4.共享资源和线程安全性
82 1
|
3月前
|
存储 安全 Java
【多线程面试题十七】、如果不使用synchronized和Lock,如何保证线程安全?
这篇文章探讨了在不使用`synchronized`和`Lock`的情况下保证线程安全的方法,包括使用`volatile`关键字、原子变量、线程本地存储(`ThreadLocal`)以及设计不可变对象。
|
5月前
|
存储 安全 Java
Java多线程中线程安全问题
Java多线程中的线程安全问题主要涉及多线程环境下对共享资源的访问可能导致的数据损坏或不一致。线程安全的核心在于确保在多线程调度顺序不确定的情况下,代码的执行结果始终正确。常见原因包括线程调度随机性、共享数据修改以及原子性问题。解决线程安全问题通常需要采用同步机制,如使用synchronized关键字或Lock接口,以确保同一时间只有一个线程能够访问特定资源,从而保持数据的一致性和正确性。
5684 1
|
6月前
|
存储 安全 Java
java多线程之原子操作类
java多线程之原子操作类
|
6月前
|
缓存 安全 Java
Java并发编程中的线程安全性探讨
【2月更文挑战第6天】在Java开发中,多线程编程是一种常见的方式,然而如何确保线程安全性却是一个复杂且关键的问题。本文将深入探讨Java并发编程中的线程安全性,包括线程安全性的概念、常见的线程安全性问题以及解决方法,旨在帮助开发者更好地理解和应对多线程环境下的挑战。
|
6月前
|
安全 Java Spring
剑指JUC原理-4.共享资源和线程安全性(下)
剑指JUC原理-4.共享资源和线程安全性
40 0
|
安全 Java 程序员
多线程初阶——线程安全
多线程初阶——线程安全
75 0
|
安全 调度
【并发编程】synchronized底层原理及对象锁和类锁实践
【并发编程】synchronized底层原理及对象锁和类锁实践
【并发编程】synchronized底层原理及对象锁和类锁实践
|
缓存 安全 Java
Java多线程之线程安全问题
Java多线程之线程安全问题
195 0
Java多线程之线程安全问题
|
安全 Java
Java多线程之线程同步(解决线程安全问题)
保证多个线程同时对某一对象或资源操作时不会出现问题
162 0
Java多线程之线程同步(解决线程安全问题)