Part 3: C 語言例子 (thread-safe function)

接下來, 我們來看一些 thread-safe 的例子: 首先是在 wiki 網站上的一個 Thread-safe 但不是 reentrant 的例子.

#include <pthread.h>

int increment_counter() {
    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;
}

這個例子中的 increment_counter() 可以被多個執行緒呼叫而不會產生任何問題, 因為它用了一個 mutex 來保護 (同步) 所有對共用的靜態變數 counter 的存取. 但是如果中斷服務程式 ISR 也呼叫了 increment_counter(), 就會很容易使系統當掉. 原因是如果中斷發生在執行緒正呼叫 increment_counter() 時 (尤其是 mutex lock 和 unlock 之間), 那 ISR 將永遠等不到 mutex 被 unlock. 因為 CPU 接受中斷進入 ISR 後, 只有 ISR 完成, 才會回到執行緒. 記住: 中斷永遠比正常執行優先, 所以 ISR 要比執行緒或者是 OS 核心優先執行.

Part 2: C 語言例子 (reentrant function)

先來看 reentrant 的例子: 最常見到用來說明 reentrant 的例子大概就屬 swap() 了

int t;

void swap(int *x, int *y) {
    t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
}

void isr(void) {
    int x = 1, y = 2;
    swap(&x, &y);
    ...
    return;
}

void main(void) {
    int x = 3, y = 4;
    ...
    swap(&x, &y);
    ...
}

這個例子中的 swap() 函數是 non-reentrant function (而且也不是 thread-save). 原因是第4行及第6行用到共用的變數 t. 即便是我們用的是 32bit CPU, 甚至也有技援 mem. to mem. 移轉資料不被中斷, 也還是有二個時間點(在第5行執行前或執行後) 發生中斷會產生錯誤的執行結果. 如下表的 NG Example 1 和 NG Example 2 所示 (在這裡為了讓這一張表格不致於太長, 我只把動作拆解到高階語言的單一指令階段, 實際上像 *x=*y 這樣的指令可能就要二個以上的低階組合語言指令.)

Reentrant vs Thread-safe

Reentrancy 和 thread-safty 是兩個容易被搞混了的觀念. 其中最嚴重的是誤以為 reentrant function 必定是 thread-safe 或者相反以為 thread-safe function 必為 reentrant, stackoverflow 網站上的答覆甚至同時出現二種答案的現象.

Reentrancy 和 Thread-safty 二者的差異

首先來看 reentrancy: 字面上的意思是可重入. Reentrancy 原先是討論單一執行緒環境下 (即沒有使用多工作業系統時) 的主程式和中斷服務程式 (ISR) 之間共用函數的問題. 當然現在多核心的 CPU 盛行, 討論範圍也必需擴充至多執行緒的情況. 重點是它討論的主體是: 在 ISR 中使用的函數 (不論是自己寫的或者是函數庫提供的) 是否會引發錯誤結果. 主要的達成條件是二者 (ISR 和非 ISR) 的共用函數中不使用靜態變數或全域變數 (意即只用區域變數). 一般是撰寫驅動程式 (device driver) 或者是寫 embedded system 的人會遇到這個問題.