Posted on 2008-12-29 17:11
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UNIX上C++程序設(shè)計(jì)守則(6)
準(zhǔn)則6: 遵守多線程編程的常識(shí)
- 要準(zhǔn)確把握在POSIX標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)中，那些函數(shù)是非線程安全的，一定不要使用
- 要讓自己編寫的函數(shù)符合線程安全
- 在訪問共享數(shù)據(jù)/變量之前一定要先鎖定
- 如果使用C++的話，一定要注意函數(shù)的同步方法
說明: (1) 要準(zhǔn)確把握那些非線程安全的函數(shù)，一定不要使用
如果在POSIX平臺(tái)上進(jìn)行多線程編程時(shí)，有幾個(gè)最基本的知識(shí)，也就是所說的“常識(shí)”，希望大家一定要嚴(yán)格遵守。
...首先、我們要理解“線程安全”的意思。線程安全的函數(shù)就是指，“一個(gè)能被在多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用也不會(huì)發(fā)生問題的函數(shù)”。這樣的函數(shù)通常要滿足以下幾個(gè)的特質(zhì)。
- 不要操作局部的靜態(tài)變量(函數(shù)內(nèi)的static變量)和全局靜態(tài)數(shù)據(jù)(全局變量，函數(shù)外的靜態(tài)變量)。而且，也不要調(diào)用其他的非線程安全的函數(shù)
- 如果要操作這樣的變量的話，事先必須使用互斥鎖mutex進(jìn)行同步，否則一定要限制多個(gè)線程同時(shí)對(duì)它的訪問
那么、在POSIX標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)里面，也有不滿足上述條件的。由于歷史遺留問題，一些函數(shù)的識(shí)別標(biāo)識(shí)(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(shù)吧。它的定義的識(shí)別標(biāo)識(shí)（signature）如下：
struct tm *localtime(const time_t *timer);
localtime 函數(shù)是，把一個(gè)用整數(shù)形式表示的時(shí)刻(從1970/1/1到現(xiàn)在為止的秒數(shù))、轉(zhuǎn)換成一個(gè)能讓人容易明白的年月日形式表示出來的tm結(jié)構(gòu)體并返回給調(diào)用者的函數(shù)。根據(jù)規(guī)格說明、返回出來的tm結(jié)構(gòu)體是不需要free()掉，也不能釋放的。這個(gè)函數(shù)典型的實(shí)現(xiàn)就像下面的代碼那樣：
struct tm *localtime(const time_t *timer) {
static struct tm t;
/* ... 從timer參數(shù)里算出年月日等數(shù)值 ... */
t.tm_year = XXX;
/* ...把它們填入到結(jié)構(gòu)體內(nèi)... */
t.tm_hour = XXX;
t.tm_min = XXX;
t.tm_sec = XXX;
return &t;
}
這個(gè)函數(shù)如果被像下面那樣使用的話，就會(huì)有漏洞：
- 在線程A里執(zhí)行 ta = localtime(x);
- 在線程B里執(zhí)行 tb = localtime(y);
- 線程A參照ta結(jié)構(gòu)體里的數(shù)據(jù) → 就發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)是一些奇怪的值！
...在函數(shù)的說明手冊里對(duì)這個(gè)問題也沒有做過詳細(xì)的說明。關(guān)于這個(gè)漏洞，在localtime函數(shù)即使使用了mutex鎖也不能被回避掉。所以，這個(gè)函數(shù)定義的識(shí)別標(biāo)識(shí)是不行滴。
[譯者lymons注：在多個(gè)線程里調(diào)用localtime函數(shù)之所以有問題的原因是，localtime函數(shù)里返回的tm構(gòu)造體是一個(gè)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)體，所以在線程A里調(diào)用localtime函數(shù)時(shí)，該結(jié)構(gòu)體被賦予正確的值；而在線程A參照這個(gè)結(jié)構(gòu)體之前，線程B又調(diào)用localtime的話，這個(gè)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)體又被賦予新的一個(gè)值。因此在線程A對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的訪問都是基于一個(gè)錯(cuò)誤的值進(jìn)行的]
正因?yàn)槿绱耍拖裆厦嬲f過的POSIX規(guī)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)
對(duì)于在規(guī)格中被定義為非線程安全的函數(shù)，應(yīng)該制定一個(gè)避免使用它們的規(guī)則出來，并且制作一個(gè)能夠自動(dòng)檢查出是否使用了這些函數(shù)的開發(fā)環(huán)境，應(yīng)該是比較好的。
反之，在這里沒有被登載的POSIX標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)都被假定為 "shall be thread-safe" 的、所以在實(shí)際的使用中可以認(rèn)為在多線程環(huán)境里是沒有問題的(而且在使用的平臺(tái)上沒有特別地說明它是非線程安全的話)。
另外，有幾個(gè)非線程安全的函數(shù)，都準(zhǔn)備了一個(gè)備用的線程安全版本的函數(shù)(僅僅是變更了函數(shù)的識(shí)別標(biāo)識(shí))。像這些函數(shù)為了與原版進(jìn)行區(qū)別都在其函數(shù)名后面添加了 _r 這個(gè)后綴。例如，asctime函數(shù)就有線程安全版本的函數(shù)asctime_r。在規(guī)格說明中是否定義了備用函數(shù)，可以試著點(diǎn)擊剛才的那個(gè)網(wǎng)頁里面的函數(shù)名就可以看到。點(diǎn)擊 rand函數(shù)就可以看到，
[TSF] int rand_r(unsigned *seed);
用[TSF]這樣的文字標(biāo)記出來的函數(shù)吧。這就是備用函數(shù)。在一覽中沒有記載出來的函數(shù)(備注： 稍微有點(diǎn)兒出入。請(qǐng)參照這里)、據(jù)我所知還有下面的備用函數(shù)。
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(guī)格以外，還準(zhǔn)備了很多的下面那樣的函數(shù)。
gethostbyname_r, gethostbyname2_r
在最近的操作系統(tǒng)中、也使用 getaddrinfo API函數(shù)來解決IPv6名字對(duì)應(yīng)的問題。gethostbyname系列的API都是比較陳舊的函數(shù)了、所以使用前面的函數(shù)還是比較好吧。根據(jù)規(guī)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(shù)，而他們的備用函數(shù)可以放心地積極的去使用。
→后續(xù)