線程安全

在多線程編程中，線程安全是必須要考慮的因素。

什么是線程安全？

在多線程環(huán)境中，多個(gè)線程在同一時(shí)刻對(duì)同一份資源進(jìn)行寫操作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。反之，則是線程非安全的。

線程安全是程序設(shè)計(jì)中的術(shù)語(yǔ)，指某個(gè)函數(shù)、函數(shù)庫(kù)在多線程環(huán)境中被調(diào)用時(shí)，能夠正確地處理多個(gè)線程之間的公用變量，使程序功能正確完成。

為了確保在多線程環(huán)境中的線程安全，就要確保數(shù)據(jù)的一致性。確保線程安全的幾種方法：

使用互斥鎖

一個(gè)線程，如果需要訪問(wèn)公共資源，需要獲得互斥鎖并對(duì)其加鎖，資源在在鎖定過(guò)程中，如果其它線程對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，也需要獲得互斥鎖，如果獲取不到，線程只能進(jìn)行阻塞，直到獲得該鎖的線程解鎖。

#include 

int increment_counter(void)
{
 static int counter = 0;
 static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

 pthread_mutex_lock(&mutex);
 
 // only allow one thread to increment at a time
 ++counter;
 // store value before any other threads increment it further
 int result = counter; 

 pthread_mutex_unlock(&mutex);
 
 return result;
}

這個(gè)函數(shù)是線程安全的，可以在多個(gè)線程中被調(diào)用。

使用原子操作

上面的例子中，使用一個(gè) 互斥鎖來(lái)保護(hù)一次簡(jiǎn)單的增量操作顯然過(guò)于昂貴，我們可以使用一些專門的原子操作API函數(shù)來(lái)替代。如上述例子，c++11中的原子變量提供了一個(gè)可使此函數(shù)既線程安全又可重入（而且還更簡(jiǎn)潔）的替代方案：

#include 

int increment_counter(void)
{
 static std::atomic<int> counter(0);
 
 // increment is guaranteed to be done atomically
 int result = ++counter;

 return result;
}

Linux內(nèi)核中原子整形操作：

#include 

int increment_counter(void)
{
 atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);
 
 // increment is guaranteed to be done atomically
 atomic_inc(&counter);
 int result = counter;

 return result;
}

什么是原子操作？

從字面上簡(jiǎn)單理解，原子是一種很微小的粒子；原子操作是不能再進(jìn)一步細(xì)分的操作。

從上面互斥鎖的例子來(lái)看，在線程層面，線程1和線程2同時(shí)調(diào)用了increment_counter函數(shù)，被 mutex 保護(hù)的操作是原子操作，lock、unlock及保護(hù)部分要整體順序運(yùn)行，不可再進(jìn)一步細(xì)分，作為一個(gè)原子存在 。

如果確定某個(gè)操作是原子的，并且有原子操作API函數(shù)可以使用，就不用為了去保護(hù)這個(gè)操作而加上會(huì)耗費(fèi)昂貴性能開(kāi)銷的鎖。

如，Linux內(nèi)核原子整形操作 API 函數(shù)表（來(lái)源：正點(diǎn)原子） ：

防止過(guò)度優(yōu)化

線程安全的函數(shù)應(yīng)該為每個(gè)調(diào)用它的線程分配專門的空間，把多個(gè)線程共享的變量正確對(duì)待（如，通知編譯器該變量為“易失（volatile）”型，阻止其進(jìn)行一些不恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化）。

線程安全函數(shù)與可重入函數(shù)？

先明確概念：

• 線程安全函數(shù)：能夠正確地處理多個(gè)線程之間的公用變量的函數(shù)。、
• 可重入函數(shù)：在任意時(shí)刻被中斷然后操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行另一段代碼，這段代碼又使用了該副程序不會(huì)出錯(cuò)。

可重入函數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足條件：

• 不能含有靜態(tài)（全局）非常量數(shù)據(jù)。
• 不能返回靜態(tài)（全局）非常量數(shù)據(jù)的地址。
• 只能處理由調(diào)用者提供的數(shù)據(jù)。
• 不能依賴于單例模式資源的鎖。
• 調(diào)用（call）的函數(shù)也必需是可重入的。

可重入函數(shù)未必是線程安全的；線程安全函數(shù)未必是可重入的。

例子1：上述例子中的increment_counter函數(shù)是線程安全的，但是并不是可重入的。因?yàn)槭褂昧嘶コ怄i，如果這個(gè)函數(shù)用在可重入的中斷處理程序中，如果在pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex)之間產(chǎn)生另一個(gè)調(diào)用函數(shù)increment_counter的中斷，則會(huì)第二次執(zhí)行此函數(shù)，此時(shí)由于mutex已被lock，函數(shù)會(huì)在pthread_mutex_lock(&mutex)處阻塞，并且由于mutex沒(méi)有機(jī)會(huì)被unlock，阻塞會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

例子2：一個(gè)函數(shù)打開(kāi)某個(gè)文件并讀入數(shù)據(jù)。這個(gè)函數(shù)是可重入的，因?yàn)樗亩鄠€(gè)實(shí)例同時(shí)執(zhí)行不會(huì)造成沖突；但它不是線程安全的，因?yàn)樵谒x入文件時(shí)可能有別的線程正在修改該文件，為了線程安全必須對(duì)文件加“同步鎖”。