线程控制之重入

有了信号处理程序和线程，多个控制线程在同一时间可能潜在地调用同一个函数。

如果一个函数在同一时刻可以被多个线程安全地调用，就称该函数是线程安全的。在Single UNIX Specification中定义的所有函数，除了表12-5中列出的函数以外，其他函数都保证是线程安全的。另外，ctermid和tmpnam函数在参数传入空指针时并不能保证是线程安全的。类似地，wcrtomb和wcsrtombs函数如果参数mbstate_t传入的是空指针的话，也不能保证它们是线程安全的。

表12-5 POSIX.1中不能保证线程安全的函数（此表摘自第三版）

支持线程安全函数的操作系统实现会在<unistd.h>中定义符号_POSIX_THREAD_SAFE_FUNCTIONS。应用程序可以在sysconf函数中传入_SC_THREAD_SAFE_FUNCTIONS参数，以在运行时检查是否支持线程安全函数。所有遵循XSI的实现要求必须支持线程安全函数。

操作系统实现支持线程安全函数这一特性时，对POSIX.1中的一些非线程安全函数，它会提供可替代的线程安全版本，表12-6列出了这些函数的线程安全版本。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。通过修改接口，要求调用者自己提供缓冲区可以使函数变为线程安全的。

表12-6 替代的线程安全函数（此表摘自第三版）

表12-6中列出的函数的命名方式与他们的非线程安全版本的名字相似，只不过在名字最后加了_r，以表明这个版本是可重入的。

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。

除了表12-6中列出的函数，POSIX.1还提供了以线程安全的方式管理FILE对象的方法。可以使用flockfile和ftrylockfile获取与给定FILE对象关联的锁。这个锁是递归的，当占有这把锁的时候，还可以再次获取该锁，这并不会导致死锁。虽然这种锁的具体实现并无规定，但要求所有操作FILE对象的标准I/O例程表现得就像它们内部调用了flockfile和funlockfile一样。

#include <stdio.h>



int ftrylockfile(FILE *fp);

返回值：若成功则返回0，否则返回非0值



void flockfile(FILE *fp);

void funlockfile(FILE *fp);

虽然标准的I/O例程从它们各自的内部数据结构这一角度出发，可能是以线程安全的方式实现的，但有时把锁开放给应用程序仍然是非常有用的。这允许应用程序把多个对标准I/O函数的调用组合成原子序列。当然，在处理多个FILE对象时，需要注意可能出现的死锁，并且需要对所有的锁仔细地排序。

如果标准I/O例程都获取它们各自的锁，那么在做一次一个字符的I/O操作时性能就会出现严重的下降。在这种情况下，需要对每一个字符的读或写操作进行获取锁和释放锁的动作。为了避免这种开销，出现了不加锁版本的基于字符的标准I/O例程。

#include <stdio.h>



int getchar_unlocked(void);

int getc_unlocked(FILE *fp);

两者的返回值都是：若成功则返回一个字符，若已到达文件结尾或出错则返回EOF



int putchar_unlocked(int c);

int putc_unlocked(int c, FILE *fp);

两者的返回值都是：若成功则返回c，若出错则返回EOF

除非被flockfile（或ftrylockfile）和funlockfile的调用包围，否则尽量不要调用这四个函数，因为它们会导致不可预期的结果（即由多个控制线程非同步地访问数据所引起的种种问题）。

一旦对FILE对象进行加锁，就可以在释放锁之前对这些函数进行多次调用。这样就可以在多次的数据读写上分摊总的加解锁的开销。

 实例

程序清单12-3显示了getenv（http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3508319.html）一个可能的实现。因为所有调用getenv的线程返回的字符串都存放在同一个静态缓冲区中，所以这个版本不是可重入的。如果两个线程同时调用这个函数，就会看到不一致的结果。

程序清单12-3 getenv的非可重入版本

#include <limits.h>

#include <signal.h>



static char envbuf[ARG_MAX];



extern char **environ;



char *

getenv(const char *name);

{

    int i, len;

    

    len = strlen(name);

    for(i = 0; environ[i] != NULL; i++)

    {

        if((strncmp(name, environ[i], len) == 0) &&

           (environ[i][len] == '='))

        {

            strcpy(envbuf, &environ[i][len+1]);

            return(envbuf);

        }

    }

    return(NULL);

}

程序清单12-4给出了getenv的可重入版本，这个版本命名为getenv_r。它使用pthread_once函数来确保每个进程只调用一次thread_init函数。

 程序清单12-4 getenv的可重入（线程安全）版本

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>



extern char **environ;



pthread_mutex_t env_mutex;

static pthread_once_t init_done = PTHREAD_ONCE_INIT;



static void

thread_init(void)

{

    pthread_mutexattr_t attr;

    

    pthread_mutexattr_init(&attr);

    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

    pthread_mutex_init(&env_mutex, &attr);

    pthread_mutexattr_destroy(&attr);

}



int

getenv_r(const char *name, char *buf, int buflen)

{

    int i, len, olen;

    

    pthread_once(&init_done, thread_init);

    len = strlen(name);

    pthread_mutex_lock(&env_mutex);

    for(i = 0; environ[i][len] != NULL; i++)

    {

        if((strncmp(name, environ[i], len) == 0) &&

          (environ[i][len] == '='))

        {

            olen = strlen(&environ[i][len+1]);

            if(olen >= buflen)

            {

                pthread_mutex_unlock(&env_mutex);

                return(ENOSPC);

            }

            strcpy(buf, &environ[i][len+1]);

            pthread_mutex_unlock(&env_mutex);

            return(0);

        }

    }

    pthread_mutex_unlock(&env_mutex);

    return(ENOENT);



}

要使getenv_r可重入，需要改变接口，调用者必须自己提供缓冲区，这样每个线程可以使用各自不同的缓冲区从而避免其他线程的干扰。但是注意这还不足以使getenv_r成为线程安全的，要使getenv_r成为线程安全的，需要在搜索请求的字符串时保护环境不被修改。我们可以使用互斥量，通过getenv_r和putenv函数对环境列表的访问进行序列化。

可以使用读写锁，从而允许对getenv_r的多次并发访问，但并发性的增强可能并不会在很大程度上改善程序的性能。这里面有两个原因：首先，环境列表通常不会很长，所以扫描列表时并不需要长时间地占有互斥量；其次，对getenv和putenv的调用不是频繁发生的，所以改善它们的性能并不会对程序的整体性能产生很大的影响。

即使把getenv_r变成线程安全的，也并不意味着它对信号处理程序是可重入的。如果使用的是非递归的互斥量，当线程从信号处理程序中调用getenv_r时，就有可能出现死锁。如果信号处理程序在线程执行getenv_r时中断了该线程，由于这时已经占有加锁的env_mutex，这样其他线程试图对这个互斥量的加锁就会被阻塞，最终导致线程进入死锁状态。所以，必须使用递归互斥量阻止其他线程改变当前正在查看的数据结构，同时还要阻止来自信号处理程序的死锁。问题是pthread函数并不保证是异步信号安全的，所以不能把pthread函数用于其他函数，让该函数成为异步信号安全的。

本篇博文内容摘自《UNIX环境高级编程》（第二版），仅作个人学习记录所用。关于本书可参考：http://www.apuebook.com/。