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            Prayer

            在一般中尋求卓越
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            可重入和不可重入

            Posted on 2009-07-05 12:00 Prayer 閱讀(4219) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C/C++LINUX/UNIX/AIX
            這種情況出現(xiàn)在多任務系統(tǒng)當中,在任務執(zhí)行期間捕捉到信號并對其進行處理時,進程正在執(zhí)行的指令序列就被信號處理程序臨時中斷。如果從信號處理程序返回,則繼續(xù)執(zhí)行進程斷點處的正常指令序列,從重新恢復到斷點重新執(zhí)行的過程中,函數(shù)所依賴的環(huán)境沒有發(fā)生改變,就說這個函數(shù)是可重入的,反之就是不可重入的。
            眾所周知,在進程中斷期間,系統(tǒng)會保存和恢復進程的上下文,然而恢復的上下文僅限于返回地址,cpu寄存器等之類的少量上下文,而函數(shù)內(nèi)部使用的諸如全局或靜態(tài)變量,buffer等并不在保護之列,所以如果這些值在函數(shù)被中斷期間發(fā)生了改變,那么當函數(shù)回到斷點繼續(xù)執(zhí)行時,其結果就不可預料了。打個比方,比如malloc,將如一個進程此時正在執(zhí)行malloc分配堆空間,此時程序捕捉到信號發(fā)生中斷,執(zhí)行信號處理程序中恰好也有一個malloc,這樣就會對進程的環(huán)境造成破壞,因為malloc通常為它所分配的存儲區(qū)維護一個鏈接表,插入執(zhí)行信號處理函數(shù)時,進程可能正在對這張表進行操作,而信號處理函數(shù)的調用剛好覆蓋了進程的操作,造成錯誤。

            滿足下面條件之一的多數(shù)是不可重入函數(shù):
            (1)使用了靜態(tài)數(shù)據(jù)結構;
            (2)調用了malloc或free;
            (3)調用了標準I/O函數(shù);標準io庫很多實現(xiàn)都以不可重入的方式使用全局數(shù)據(jù)結構。
            (4)進行了浮點運算.許多的處理器/編譯器中,浮點一般都是不可重入的 (浮點運算大多使用協(xié)處理器或者軟件模擬來實現(xiàn)。

             

            1) 信號處理程序A內(nèi)外都調用了同一個不可重入函數(shù)B;B在執(zhí)行期間被信號打斷,進入A (A中調用了B),完事之后返回B被中斷點繼續(xù)執(zhí)行,這時B函數(shù)的環(huán)境可能改變,其結果就不可預料了。
            2) 多線程共享進程內(nèi)部的資源,如果兩個線程A,B調用同一個不可重入函數(shù)F,A線程進入F后,線程調度,切換到B,B也執(zhí)行了F,那么當再次切換到線程A時,其調用F的結果也是不可預料的。
            在信號處理程序中即使調用可重入函數(shù)也有問題要注意。作為一個通用的規(guī)則,當在信號處理程序中調用可重入函數(shù)時,應當在其前保存errno,并在其后恢復errno。(因為每個線程只有一個errno變量,信號處理函數(shù)可能會修改其值,要了解經(jīng)常被捕捉到的信號是SIGCHLD,其信號處理程序通常要調用一種wait函數(shù),而各種wait函數(shù)都能改變errno。)

             

            可重入函數(shù)列表:

            _exit()、 access()、alarm()、cfgetispeed()、cfgetospeed()、cfsetispeed()、cfsetospeed ()、chdir()、chmod()、chown()、close()、creat()、dup()、dup2()、execle()、 execve()、fcntl()、fork()、fpathconf ()、fstat()、fsync()、getegid()、 geteuid()、getgid()、getgroups()、getpgrp()、getpid()、getppid()、getuid()、 kill()、link()、lseek()、mkdir()、mkfifo()、 open()、pathconf()、pause()、pipe()、raise()、read()、rename()、rmdir()、setgid ()、setpgid()、setsid()、setuid()、 sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、 sigismember()、signal()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()、sleep()、 stat()、sysconf()、tcdrain()、tcflow()、tcflush()、tcgetattr()、tcgetpgrp()、 tcsendbreak()、tcsetattr()、tcsetpgrp()、time()、times()、 umask()、uname()、unlink()、utime()、wait()、waitpid()、write()。

             

            書上關于信號處理程序中調用不可重入函數(shù)的例子:

            #include <stdlib.h>
            #include <stdio.h>
            #include <pwd.h>

            static void func(int signo)
            {
                struct passwd *rootptr;
                if( ( rootptr = getpwnam( "root" ) ) == NULL )
                {
                    err_sys( "getpwnam error" );
                }
                signal(SIGALRM,func);
                alarm(1);
            }

            int main(int argc, char** argv)
            {
                signal(SIGALRM,func);
                alarm(1);
                for(;;)
                {
                    if( ( ptr = getpwnam("sar") ) == NULL )
                    {
                        err_sys( "getpwnam error" );
                    }
                }
                return 0;
            }

            signal了一個SIGALRM,而后設置一個定時器,在for函數(shù)運行期間的某個時刻,也許就是在getpwnam函數(shù)運行期間,相應信號發(fā)生中斷,進入信號處理函數(shù)func,在運行func期間又收到alarm發(fā)出的信號,getpwnam可能再次中斷,這樣就很容易發(fā)生不可預料的問題。

            可重入函數(shù)與不可重入函數(shù)

            主要用于多任務環(huán)境中,一個可重入的函數(shù)簡單來說就是可以被中斷的函數(shù),也就是說,可以在這個函數(shù)執(zhí)行的任何時刻中斷它,轉入OS調度下去執(zhí)行另外一段代碼,而返回控制時不會出現(xiàn)什么錯誤;而不可重入的函數(shù)由于使用了一些系統(tǒng)資源,比如全局變量區(qū),中斷向量表等,所以它如果被中斷的話,可能會出現(xiàn)問題,這類函數(shù)是不能運行在多任務環(huán)境下的。

            也可以這樣理解,重入即表示重復進入,首先它意味著這個函數(shù)可以被中斷,其次意味著它除了使用自己棧上的變量以外不依賴于任何環(huán)境(包括static),這樣的函數(shù)就是purecode(純代碼)可重入,可以允許有該函數(shù)的多個副本在運行,由于它們使用的是分離的棧,所以不會互相干擾。如果確實需要訪問全局變量(包括static),一定要注意實施互斥手段。可重入函數(shù)在并行運行環(huán)境中非常重要,但是一般要為訪問全局變量付出一些性能代價。

            編寫可重入函數(shù)時,若使用全局變量,則應通過關中斷、信號量(即P、V操作)等手段對其加以保護。

            說明:若對所使用的全局變量不加以保護,則此函數(shù)就不具有可重入性,即當多個進程調用此函數(shù)時,很有可能使有關全局變量變?yōu)椴豢芍獱顟B(tài)。


            示例:假設Exam是int型全局變量,函數(shù)Squre_Exam返回Exam平方值。那么如下函數(shù)不具有可重入性。

            unsigned int example( int para ) {

                 unsigned int temp;
                     Exam = para; // (**)
                     temp = Square_Exam( );
                     return temp;
                 }
                此函數(shù)若被多個進程調用的話,其結果可能是未知的,因為當(**)語句剛執(zhí)行完后,另外一個使用本函數(shù)的進程可能正好被激活,那么當新激活的進程執(zhí)行到此函數(shù)時,將使Exam賦與另一個不同的para值,所以當控制重新回到“temp = Square_Exam( )”后,計算出的temp很可能不是預想中的結果。此函數(shù)應如下改進。

                 unsigned int example( int para ) {
                     unsigned int temp;
                     [申請信號量操作] //(1)
                     Exam = para;
                     temp = Square_Exam( );
                     [釋放信號量操作]
                     return temp;
                 }
                 (1)若申請不到“信號量”,說明另外的進程正處于給Exam賦值并計算其平方過程中(即正在使用此信號),本進程必須等待其釋放信號后,才可繼續(xù)執(zhí)行。若申請到信號,則可繼續(xù)執(zhí)行,但其它進程必須等待本進程釋放信號量后,才能再使用本信號。

                保證函數(shù)的可重入性的方法:
                在寫函數(shù)時候盡量使用局部變量(例如寄存器、堆棧中的變量),對于要使用的全局變量要加以保護(如采取關中斷、信號量等方法),這樣構成的函數(shù)就一定是一個可重入的函數(shù)。
                 VxWorks中采取的可重入的技術有:
                 * 動態(tài)堆棧變量(各子函數(shù)有自己獨立的堆棧空間)
                 * 受保護的全局變量和靜態(tài)變量
                 * 任務變量


            --------------------------------------------------
                在實時系統(tǒng)的設計中,經(jīng)常會出現(xiàn)多個任務調用同一個函數(shù)的情況。如果這個函數(shù)不幸被設計成為不可重入的函數(shù)的話,那么不同任務調用這個函數(shù)時可能修改其他任務調用這個函數(shù)的數(shù)據(jù),從而導致不可預料的后果。那么什么是可重入函數(shù)呢?
            所謂可重入函數(shù)是指一個可以被多個任務調用的過程,任務在調用時不必擔心數(shù)據(jù)是否會出錯。不可重入函數(shù)在實時系統(tǒng)設計中被視為不安全函數(shù)。

            滿足下列條件的函數(shù)多數(shù)是不可重入的:
                 1) 函數(shù)體內(nèi)使用了靜態(tài)的數(shù)據(jù)結構;
                 2) 函數(shù)體內(nèi)調用了malloc()或者free()函數(shù);
                 3) 函數(shù)體內(nèi)調用了標準I/O函數(shù)。

                下面舉例加以說明。
                 A. 可重入函數(shù)
                 void strcpy(char *lpszDest, char *lpszSrc){
                     while(*lpszDest++=*lpszSrc++);
                     *dest=0;
                 }

                 B. 不可重入函數(shù)1
                 charcTemp;//全局變量
                 void SwapChar1(char *lpcX, char *lpcY){
                     cTemp=*lpcX;
                     *lpcX=*lpcY;
                     lpcY=cTemp;//訪問了全局變量
                 }

                 C. 不可重入函數(shù)2
                 void SwapChar2(char *lpcX,char *lpcY){
                     static char cTemp;//靜態(tài)局部變量
                     cTemp=*lpcX;
                     *lpcX=*lpcY;
                     lpcY=cTemp;//使用了靜態(tài)局部變量
                 }

                問題1,如何編寫可重入的函數(shù)?
                答:在函數(shù)體內(nèi)不訪問那些全局變量,不使用靜態(tài)局部變量,堅持只使用局部變量,寫出的函數(shù)就將是可重入的。如果必須訪問全局變量,記住利用互斥信號量來保護全局變量。

                問題2,如何將一個不可重入的函數(shù)改寫成可重入的函數(shù)?
                答:把一個不可重入函數(shù)變成可重入的唯一方法是用可重入規(guī)則來重寫它。其實很簡單,只要遵守了幾條很容易理解的規(guī)則,那么寫出來的函數(shù)就是可重入的。
                 1) 不要使用全局變量。因為別的代碼很可能覆蓋這些變量值。
                 2) 在和硬件發(fā)生交互的時候,切記執(zhí)行類似disinterrupt()之類的操作,就是關閉硬件中斷。完成交互記得打開中斷,在有些系列上,這叫做“進入/退出核心”。
                 3) 不能調用其它任何不可重入的函數(shù)。
                 4) 謹慎使用堆棧。最好先在使用前先OS_ENTER_KERNAL。

                堆棧操作涉及內(nèi)存分配,稍不留神就會造成益出導致覆蓋其他任務的數(shù)據(jù),所以,請謹慎使用堆棧!最好別用!很多黑客程序就利用了這一點以便系統(tǒng)執(zhí)行非法代碼從而輕松獲得系統(tǒng)控制權。還有一些規(guī)則,總之,時刻記住一句話:保證中斷是安全的!

                實例問題:曾經(jīng)設計過如下一個函數(shù),在代碼檢視的時候被提醒有bug,因為這個函數(shù)是不可重入的,為什么?
                 unsigned int sum_int( unsigned int base ) {
                     unsigned int index;
                     static unsigned int sum = 0; // 注意,是static類型
                     for (index = 1; index <= base; index++)
                         sum += index;
                     return sum;
                 }


                分析:所謂的函數(shù)是可重入的(也可以說是可預測的),即只要輸入數(shù)據(jù)相同就應產(chǎn)生相同的輸出。這個函數(shù)之所以是不可預測的,就是因為函數(shù)中使用了static變量,因為static變量的特征,這樣的函數(shù)被稱為:帶“內(nèi)部存儲器”功能的的函數(shù)。因此如果需要一個可重入的函數(shù),一定要避免函數(shù)中使用static變量,這種函數(shù)中的static變量,使用原則是,能不用盡量不用。
                將上面的函數(shù)修改為可重入的函數(shù),只要將聲明sum變量中的static關鍵字去掉,變量sum即變?yōu)橐粋€auto類型的變量,函數(shù)即變?yōu)橐粋€可重入的函數(shù)。
                當然,有些時候,在函數(shù)中是必須要使用static變量的,比如當某函數(shù)的返回值為指針類型時,則必須是static的局部變量的地址作為返回值,若為auto類型,則返回為錯指針。


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