可重入與不可重入函數(shù)的區(qū)別

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一、什么是可重入函數(shù)與不可重入函數(shù)？

可重入和不可重入函數(shù)主要用于多任務(wù)環(huán)境中，一個(gè)可重入的函數(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是可以被中斷的函數(shù)，也就是說(shuō)，可以在這個(gè)函數(shù)執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)入OS調(diào)度下去執(zhí)行另外一段代碼，而返回控制時(shí)不會(huì)出現(xiàn)什么錯(cuò)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(huà)，可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這類(lèi)函數(shù)是不能運(yùn)行在多任務(wù)環(huán)境下的。

也可以這樣理解，重入即表示重復(fù)進(jìn)入，首先它意味著這個(gè)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(lài)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(gè)副本在運(yùn)行，由于它們使用的是分離的棧，所以不會(huì)互相干擾。

如果確實(shí)需要訪問(wèn)全局變量（包括static），一定要注意實(shí)施互斥手段。可重入函數(shù)在并行運(yùn)行環(huán)境中非常重要，但是一般要為訪問(wèn)全局變量付出一些性能代價(jià)。

二、不可重入函數(shù)的缺點(diǎn)

編寫(xiě)可重入函數(shù)時(shí)，若使用全局變量，則應(yīng)通過(guò)關(guān)中斷、信號(hào)量（即P、V操作）等手段對(duì)其加以保護(hù)。

說(shuō)明：若對(duì)所使用的全局變量不加以保護(hù)，則此函數(shù)就不具有可重入性，即當(dāng)多個(gè)進(jìn)程調(diào)用此函數(shù)時(shí)，很有可能使有關(guān)全局變量變?yōu)椴豢芍獱顟B(tài)。

示例：假設(shè)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。

   

    
unsignedint example(int para)
    
{
    
unsignedint temp;
    
Exam= para; // （**）
    
 temp = Square_Exam( );
    
return temp;
    
}
   

此函數(shù)若被多個(gè)進(jìn)程調(diào)用的話(huà)，其結(jié)果可能是未知的，因?yàn)楫?dāng)（**）語(yǔ)句剛執(zhí)行完后，另外一個(gè)使用本函數(shù)的進(jìn)程可能正好被激活，那么當(dāng)新激活的進(jìn)程執(zhí)行到此函數(shù)時(shí)，將使Exam賦與另一個(gè)不同的para值，所以當(dāng)控制重新回到?temp=Square_Exam()后，計(jì)算出的temp很可能不是預(yù)想中的結(jié)果。此函數(shù)應(yīng)如下改進(jìn):

   

    
unsignedint example(int para)
    
{
    
unsignedint temp;
    
[申請(qǐng)信號(hào)量操作] //(1)
    
Exam= para;
    
 temp = Square_Exam( );
    
[釋放信號(hào)量操作]
    
return temp;
    
}
   

若申請(qǐng)不到”信號(hào)量“，說(shuō)明另外的進(jìn)程正處于給Exam賦值并計(jì)算其平方過(guò)程中（即正在使用此信號(hào)）,本進(jìn)程必須等待其釋放信號(hào)后，才可繼續(xù)執(zhí)行。若申請(qǐng)到信號(hào)，則可繼續(xù)執(zhí)行，但其它進(jìn)程必須等待本進(jìn)程釋放信號(hào)量后，才能再使用本信號(hào)。

三、保證函數(shù)的可重入性的方法

在寫(xiě)函數(shù)時(shí)候盡量使用局部變量（例如寄存器、堆棧中的變量），對(duì)于要使用的全局變量要加以保護(hù)（如采取關(guān)中斷、信號(hào)量等方法），這樣構(gòu)成的函數(shù)就一定是一個(gè)可重入的函數(shù)。

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)任務(wù)調(diào)用同一個(gè)函數(shù)的情況。如果這個(gè)函數(shù)不幸被設(shè)計(jì)成為不可重入的函數(shù)的話(huà)，那么不同任務(wù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)可能修改其他 任務(wù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致不可預(yù)料的后果。不可重入函數(shù)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被視為不安全函數(shù)。

滿(mǎn)足下列條件的函數(shù)多數(shù)是不可重入的：

• 函數(shù)體內(nèi)使用了靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

• 函數(shù)體內(nèi)調(diào)用了malloc()或者free()函數(shù)；

• 函數(shù)體內(nèi)調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)。

下面舉例加以說(shuō)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
    
voidSwapChar1(char*lpcX, char*lpcY)
    
{
    
 cTemp=*lpcX;
    
*lpcX=*lpcY;
    
 lpcY=cTemp;//訪問(wèn)了全局變量
    
}
   

C. 不可重入函數(shù)2

   

    
voidSwapChar2(char*lpcX,char*lpcY)
    
{
    
staticchar 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(wèn)題1：如何編寫(xiě)可重入的函數(shù)？

答：在函數(shù)體內(nèi)不訪問(wèn)那些全局變量，不使用靜態(tài)局部變量，堅(jiān)持只使用局部變量，寫(xiě)出的函數(shù)就將是可重入的。如果必須訪問(wèn)全局變量，記住利用互斥信號(hào)量來(lái)保護(hù)全局變量。

問(wèn)題2：如何將一個(gè)不可重入的函數(shù)改寫(xiě)成可重入的函數(shù)？

答：把一個(gè)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(lái)重寫(xiě)它。其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要遵守了幾條很容易理解的規(guī)則，那么寫(xiě)出來(lái)的函數(shù)就是可重入的。

1) 不要使用全局變量。因?yàn)閯e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(shí)候，切記執(zhí)行類(lèi)似disinterrupt()之類(lèi)的操作，就是關(guān)閉硬件中斷。完成交互記得打開(kāi)中斷，在有些系列上，這叫做“進(jìn)入/退出核心”。

3) 不能調(diào)用其它任何不可重入的函數(shù)。

4) 謹(jǐn)慎使用堆棧。最好先在使用前先OSENTERKERNAL。

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

實(shí)例問(wèn)題：曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)如下一個(gè)函數(shù)，在代碼檢視的時(shí)候被提醒有bug，因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)是不可重入的，為什么？

   

    
unsignedint sum_int( unsignedint base )
    
{
    
unsignedint index;
    
staticunsignedint sum = 0; // 注意，是static類(lèi)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(shuō)是可預(yù)測(cè)的），即只要輸入數(shù)據(jù)相同就應(yīng)產(chǎn)生相同的輸出。這個(gè)函數(shù)之所以是不可預(yù)測(cè)的，就是因?yàn)楹瘮?shù)中使用了 static 變量，因?yàn)?static 變量的特征，這樣的函數(shù)被稱(chēng)為：帶“內(nèi)部存儲(chǔ)器”功能的的函數(shù)。因此如果需要一個(gè)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(guān)鍵字去掉，變量sum即變?yōu)橐粋€(gè)auto類(lèi)型的變量，函數(shù)即變?yōu)橐粋€(gè)可重入的函數(shù)。

當(dāng)然，有些時(shí)候，在函數(shù)中是必須要使用static變量的，比如當(dāng)某函數(shù)的返回值為指針類(lèi)型時(shí)，則必須是static的局部變量的地址作為返回值，若為auto類(lèi)型，則返回為錯(cuò)指針。

這種情況出現(xiàn)在多任務(wù)系統(tǒng)當(dāng)中，在任務(wù)執(zhí)行期間捕捉到信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)，進(jìn)程正在執(zhí)行的指令序列就被信號(hào)處理程序臨時(shí)中斷。如果從信號(hào)處理程序返回，則繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)程斷點(diǎn)處的正常指令序列，從重新恢復(fù)到斷點(diǎn)重新執(zhí)行的過(guò)程中，函數(shù)所依賴(lài)的環(huán)境沒(méi)有發(fā)生改變，就說(shuō)這個(gè)函數(shù)是可重入的，反之就是不可重入的。

四、最后

眾所周知，在進(jìn)程中斷期間，系統(tǒng)會(huì)保存和恢復(fù)進(jìn)程的上下文，然而恢復(fù)的上下文僅限于返回地址，cpu寄存器等之類(lèi)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(hù)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(dāng)函數(shù)回到斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，其結(jié)果就不可預(yù)料了。

打個(gè)比方，比如malloc，將如一個(gè)進(jìn)程此時(shí)正在執(zhí)行 malloc分配堆空間，此時(shí)程序捕捉到信號(hào)發(fā)生中斷，執(zhí)行信號(hào)處理程序中恰好也有一個(gè)malloc，這樣就會(huì)對(duì)進(jìn)程的環(huán)境造成破壞，因?yàn)閙alloc通 常為它所分配的存儲(chǔ)區(qū)維護(hù)一個(gè)鏈接表，插入執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)時(shí)，進(jìn)程可能正在對(duì)這張表進(jìn)行操作，而信號(hào)處理函數(shù)的調(diào)用剛好覆蓋了進(jìn)程的操作，造成錯(cuò)誤。

滿(mǎn)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(jié)構(gòu);

(2)調(diào)用了malloc或free;

(3)調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù);標(biāo)準(zhǔn)io庫(kù)很多實(shí)現(xiàn)都以不可重入的方式使用全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(4)進(jìn)行了浮點(diǎn)運(yùn)算.許多的處理器/編譯器中，浮點(diǎn)一般都是不可重入的 (浮點(diǎn)運(yùn)算大多使用協(xié)處理器或者軟件模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)）。

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