一文搞懂可重入和线程安全

关于线程安全的概念，在之前写线程的时候提过：

一个函数被称为线程安全的，当且仅当被多个并发线程反复地调用时，它会一直产生正确的结果。
如果一个函数不是线程安全的，我们就说它是线程不安全的
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而可重入的概念，第一次见还是在游双的《Linux高性能服务器编程》一书中：

inet_ntoa函数将网络字节序整数表示的IPv4地址转化为用点分十进制字符串表示的IPv4地址。
但需要注意的是，该函数内部用一个静态变量存储转化结果，函数的返回值指向该静态内存，因此inet_ntoa是不可重入的。代码清单揭示了其不可重入性：
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char *szValue1 = inet_ntoa("1.2.3.4");
char *szValue2 = inet_ntoa("10.194.71.60");
printf("address 1: %s\n", szValue1);
printf("address 2: %s\n", szValue2);
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运行这段代码，得到的结果是：

address1: 10.194.71.60
address2: 10.194.71.60
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所以，可重入与线程安全到底是什么，又有什么区别呢？
这里以Qt官方文档为蓝本，翻译一下：

一个线程安全的函数可以被多个线程同时调用，即使调用使用共享数据，因为对共享数据的所有引用都是序列化的（串行的）
一个可重入函数也可以被多个线程同时调用，但前提是每个调用都使用自己的数据。
因此，线程安全的函数总是可重入的，但可重入的函数并不总是线程安全的。
c++类通常是可重入的，这是因为它们只访问自己的成员数据。任何线程都可以调用可重入类实例中的成员函数，只要没有其他线程可以同时调用该类的同一个实例上的成员函数。例如，下面的Counter类是可重入的：

 class Counter
 {
  public:
      Counter() { n = 0; }

      void increment() { ++n; }
      void decrement() { --n; }
      int value() const { return n; }

  private:
      int n;
 };
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但却不是线程安全的，如果多个线程同时试图修改成员变量n，结果是未定义的，因为++或–操作并不是原子的。实际上，它们通常会扩展到三条机器指令:

将变量的值装入寄存器
增加或减少寄存器的值
将寄存器的值存储回主存
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如果线程A和线程B同时加载变量的旧值，增加它们的寄存器，并存储它，它们最终会相互覆盖，变量只增加一次!
而下面这个例子是线程安全的：

class Counter
{
  public:
      Counter() { n = 0; }

      void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }
      void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }
      int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }

  private:
      mutable QMutex mutex;
      int n;
};
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因为即使多个线程同时修改变量n，有了互斥锁的控制，可以保证变量修改的原子性。

再来看一段《Qt中的C++技术》一书中关于这两个概念的描述：

可重入类（reentrant class）的不同对象可以被自由使用，即使它们处于不同的线程，但是这种类的同一个对象却不能够被多个线程同时使用。
而线程安全（thread-safe）类的对象可以被自由使用，即使该类的同一个对象被多个线程同时使用。
当一个函数满足以下条件时，我们称它是线程安全的（thread-safe）：当多个线程同时调用该函数时，即使在不同线程中该函数访问了同一块内存，
这些访问也会安排为顺序进行的，使得每个线程中该函数的执行结果是确定的。如果一个类的所有成员函数都是线程安全的，我们称这个类是线程安全的。
对于线程安全的类，我们可以在多个线程中同时访问该类的一个对象，不用担心该对象的数据会被破坏。
对于类，一个稍宽松的条件是可重入（reentrant）：如果多个线程能够安全地访问一个类的不同对象，我们称这个类是可重入的。
一般情况下，如果一个类不访问全局对象或者其他共享数据，该类就是可重入的。
而具有以下形态的类则是不可重入的：具有静态数据成员；某个或者某些成员函数的内部定义了静态局部变量；
某个数据成员是指针，而该类多个对象的这个指针指向同一块内存。
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这也就解释了为什么inet_ntoa函数是不可重入的。

参考资料
[1] 游双.Linux高性能服务器编程[M].北京：机械工业出版社，2013.
[2] 张波.Qt中的C++技术[M].北京：电子工业出版社，2012.7