From 2008精選

UNIX上C++程序設計守則(6)

準則6: 遵守多線程編程的常識

1. 要準確把握在POSIX標準的函數中，那些函數是非線程安全的，一定不要使用
2. 要讓自己編寫的函數符合線程安全
   • 在訪問共享數據/變量之前一定要先鎖定
   • 如果使用C++的話，一定要注意函數的同步方法

說明: (1) 要準確把握那些非線程安全的函數，一定不要使用

如果在POSIX平臺上進行多線程編程時，有幾個最基本的知識，也就是所說的“常識”，希望大家一定要嚴格遵守。

...首先、我們要理解“線程安全”的意思。線程安全的函數就是指，“一個能被在多個線程同時調用也不會發生問題的函數”。這樣的函數通常要滿足以下幾個的特質。

1. 不要操作局部的靜態變量(函數內的static變量)和全局靜態數據(全局變量，函數外的靜態變量)。而且，也不要調用其他的非線程安全的函數
2. 如果要操作這樣的變量的話，事先必須使用互斥鎖mutex進行同步，否則一定要限制多個線程同時對它的訪問

那么、在POSIX標準的函數里面，也有不滿足上述條件的。由于歷史遺留問題，一些函數的識別標識(signature)的定義沒有考慮到線程安全的問題，所以不管怎么做都不能滿足上述的條件。例如，看看 localtime函數吧。它的定義的識別標識（signature）如下：

struct tm *localtime(const time_t *timer);

localtime 函數是，把一個用整數形式表示的時刻(從1970/1/1到現在為止的秒數)、轉換成一個能讓人容易明白的年月日形式表示出來的tm結構體并返回給調用者的函數。根據規格說明、返回出來的tm結構體是不需要free()掉，也不能釋放的。這個函數典型的實現就像下面的代碼那樣：

struct tm *localtime(const time_t *timer) {
  static struct tm t;
  
  /* ... 從timer參數里算出年月日等數值 ... */

  t.tm_year = XXX;
  /* ...把它們填入到結構體內... */
  t.tm_hour = XXX;
  t.tm_min  = XXX;
  t.tm_sec  = XXX;

  return &t;
}

這個函數如果被像下面那樣使用的話，就會有漏洞：

1. 在線程A里執行 ta = localtime(x);
   
2. 在線程B里執行 tb = localtime(y);
   
3. 線程A參照ta結構體里的數據 → 就發現這些數據是一些奇怪的值！

...在函數的說明手冊里對這個問題也沒有做過詳細的說明。關于這個漏洞，在localtime函數即使使用了mutex鎖也不能被回避掉。所以，這個函數定義的識別標識是不行滴。
[譯者lymons注：在多個線程里調用localtime函數之所以有問題的原因是，localtime函數里返回的tm構造體是一個靜態的結構體，所以在線程A里調用localtime函數時，該結構體被賦予正確的值；而在線程A參照這個結構體之前，線程B又調用localtime的話，這個靜態的結構體又被賦予新的一個值。因此在線程A對這個結構體的訪問都是基于一個錯誤的值進行的]

正因為如此，就像上面說過的POSIX規格(SUSv3)里整齊的

asctime, basename, catgets, crypt, ctime, dbm_clearerr, dbm_close, dbm_delete, dbm_error, dbm_fetch, dbm_firstkey, dbm_nextkey, dbm_open, dbm_store, dirname, dlerror, drand48, ecvt, encrypt, endgrent, endpwent, endutxent, fcvt, ftw, gcvt, getc_unlocked, getchar_unlocked, getdate, getenv, getgrent, getgrgid, getgrnam,

(省略)

另外，有幾個非線程安全的函數，都準備了一個備用的線程安全版本的函數(僅僅是變更了函數的識別標識)。像這些函數為了與原版進行區別都在其函數名后面添加了 _r 這個后綴*1。例如，asctime函數就有線程安全版本的函數asctime_r。在規格說明中是否定義了備用函數，可以試著點擊剛才的那個網頁里面的函數名就可以看到。點擊 rand函數就可以看到，

[TSF] int rand_r(unsigned *seed);

用[TSF]這樣的文字標記出來的函數吧。這就是備用函數。在一覽中沒有記載出來的函數(備注： 稍微有點兒出入。請參照這里)、據我所知還有下面的備用函數。

asctime_r, ctime_r, getgrgid_r, getgrnam_r, getpwnam_r, getpwuid_r, gmtime_r, localtime_r, rand_r, readdir_r, strerror_r, strtok_r

還有，在規格以外，還準備了很多的下面那樣的函數。

gethostbyname_r, gethostbyname2_r

在最近的操作系統中、也使用 getaddrinfo API函數來解決IPv6名字對應的問題。gethostbyname系列的API都是比較陳舊的函數了、所以使用前面的函數還是比較好吧*2。根據規格SUSv3，getaddrinfo也是線程安全的：

The freeaddrinfo() and getaddrinfo() functions shall be thread-safe.

在多線程編程中，不要使用非線程安全的函數，而他們的備用函數可以放心地積極的去使用。

→后續