線程安全

在多線程編程中，線程安全是必須要考慮的因素。

什么是線程安全？

在多線程環境中，多個線程在同一時刻對同一份資源進行寫操作時，不會出現數據不一致。反之，則是線程非安全的。

線程安全是程序設計中的術語，指某個函數、函數庫在多線程環境中被調用時，能夠正確地處理多個線程之間的公用變量，使程序功能正確完成。

為了確保在多線程環境中的線程安全，就要確保數據的一致性。確保線程安全的幾種方法：

使用互斥鎖

一個線程，如果需要訪問公共資源，需要獲得互斥鎖并對其加鎖，資源在在鎖定過程中，如果其它線程對其進行訪問，也需要獲得互斥鎖，如果獲取不到，線程只能進行阻塞，直到獲得該鎖的線程解鎖。

#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;
}

這個函數是線程安全的，可以在多個線程中被調用。

使用原子操作

上面的例子中，使用一個 互斥鎖來保護一次簡單的增量操作顯然過于昂貴，我們可以使用一些專門的原子操作API函數來替代。如上述例子，c++11中的原子變量提供了一個可使此函數既線程安全又可重入（而且還更簡潔）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內核中原子整形操作：

#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;
}

什么是原子操作？

從字面上簡單理解，原子是一種很微小的粒子；原子操作是不能再進一步細分的操作。

從上面互斥鎖的例子來看，在線程層面，線程1和線程2同時調用了increment_counter函數，被 mutex 保護的操作是原子操作，lock、unlock及保護部分要整體順序運行，不可再進一步細分，作為一個原子存在 。

如果確定某個操作是原子的，并且有原子操作API函數可以使用，就不用為了去保護這個操作而加上會耗費昂貴性能開銷的鎖。

如，Linux內核原子整形操作 API 函數表（來源：正點原子） ：

防止過度優化

線程安全的函數應該為每個調用它的線程分配專門的空間，把多個線程共享的變量正確對待（如，通知編譯器該變量為“易失（volatile）”型，阻止其進行一些不恰當的優化）。

線程安全函數與可重入函數？

先明確概念：

• 線程安全函數：能夠正確地處理多個線程之間的公用變量的函數。、
• 可重入函數：在任意時刻被中斷然后操作系統調度執行另一段代碼，這段代碼又使用了該副程序不會出錯。

可重入函數應當滿足條件：

• 不能含有靜態（全局）非常量數據。
• 不能返回靜態（全局）非常量數據的地址。
• 只能處理由調用者提供的數據。
• 不能依賴于單例模式資源的鎖。
• 調用（call）的函數也必需是可重入的。

可重入函數未必是線程安全的；線程安全函數未必是可重入的。

例子1：上述例子中的increment_counter函數是線程安全的，但是并不是可重入的。因為使用了互斥鎖，如果這個函數用在可重入的中斷處理程序中，如果在pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex)之間產生另一個調用函數increment_counter的中斷，則會第二次執行此函數，此時由于mutex已被lock，函數會在pthread_mutex_lock(&mutex)處阻塞，并且由于mutex沒有機會被unlock，阻塞會永遠持續下去。

例子2：一個函數打開某個文件并讀入數據。這個函數是可重入的，因為它的多個實例同時執行不會造成沖突；但它不是線程安全的，因為在它讀入文件時可能有別的線程正在修改該文件，為了線程安全必須對文件加“同步鎖”。