【Linux】多线程编程之线程安全

Linux

发布日期: 2023-05-15

文章字数: 1.2k

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线程安全

在多线程编程中，线程安全是必须要考虑的因素。

什么是线程安全？

在多线程环境中，多个线程在同一时刻对同一份资源进行写操作时，不会出现数据不一致。反之，则是线程非安全的。

线程安全是程序设计中的术语，指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时，能够正确地处理多个线程之间的公用变量，使程序功能正确完成。

为了确保在多线程环境中的线程安全，就要确保数据的一致性。确保线程安全的几种方法：

使用互斥锁

一个线程，如果需要访问公共资源，需要获得互斥锁并对其加锁，资源在在锁定过程中，如果其它线程对其进行访问，也需要获得互斥锁，如果获取不到，线程只能进行阻塞，直到获得该锁的线程解锁。关于互斥锁的使用：Hello系列 | 多线程编程基础！

例子（来源：维基百科）：

#include <pthread.h>

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;
}

这个函数是线程安全的，可以在多个线程中被调用。

使用原子操作

上面的例子中，使用一个互斥锁来保护一次简单的增量操作显然过于昂贵，我们可以使用一些专门的原子操作API函数来替代。如上述例子，c++11中的原子变量提供了一个可使此函数既线程安全又可重入（而且还更简洁）的替代方案：

#include <atomic>

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

	return result;
}

Linux内核中原子整形操作：

#include <linux/types.h>

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？

从字面上简单理解，原子是一种很微小的粒子；原子操作是不能再进一步细分的操作。

从上面互斥锁的例子来看，在线程层面，线程1和线程2同时调用了increment_counter函数，被 mutex 保护的操作是原子操作，lock、unlock及保护部分要整体顺序运行，不可再进一步细分，作为一个原子存在。

如果确定某个操作是原子的，并且有原子操作API函数可以使用，就不用为了去保护这个操作而加上会耗费昂贵性能开销的锁。

如，Linux内核原子整形操作 API 函数表（来源：正点原子）：

防止过度优化

线程安全的函数应该为每个调用它的线程分配专门的空间，把多个线程共享的变量正确对待（如，通知编译器该变量为“易失（volatile）”型，阻止其进行一些不恰当的优化）。

线程安全函数与可重入函数？

先明确概念：

线程安全函数：能够正确地处理多个线程之间的公用变量的函数。
可重入函数：在任意时刻被中断然后操作系统调度执行另一段代码，这段代码又使用了该副程序不会出错。

可重入函数应当满足条件：

不能含有静态（全局）非常量数据。
不能返回静态（全局）非常量数据的地址。
只能处理由调用者提供的数据。
不能依赖于单例模式资源的锁。
调用（call）的函数也必需是可重入的。

可重入函数未必是线程安全的；线程安全函数未必是可重入的。

例子1：上述例子中的increment_counter函数是线程安全的，但是并不是可重入的。因为使用了互斥锁，如果这个函数用在可重入的中断处理程序中，如果在pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex)之间产生另一个调用函数increment_counter的中断，则会第二次执行此函数，此时由于mutex已被lock，函数会在pthread_mutex_lock(&mutex)处阻塞，并且由于mutex没有机会被unlock，阻塞会永远持续下去。

例子2：一个函数打开某个文件并读入数据。这个函数是可重入的，因为它的多个实例同时执行不会造成冲突；但它不是线程安全的，因为在它读入文件时可能有别的线程正在修改该文件，为了线程安全必须对文件加“同步锁”。