电子说
在多线程编程中,线程安全是必须要考虑的因素。
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:
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。
#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;
}
这个函数是线程安全的,可以在多个线程中被调用。
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
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
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;
}
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) :
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)。
先明确概念:
可重入函数应当满足条件:
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”。
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