Question

在UNIX系统中，我们知道malloc()是一个不可重入的函数（系统调用）。这是为什么？

同样，printf()也被认为是不可重入的;为什么呢？

我知道re-entrancy的定义，但我想知道为什么它适用于这些函数。什么阻止他们被保证可以重入？

Answer 1

malloc和printf通常使用全局结构，并在内部使用基于锁的同步。这就是他们不可重入的原因。

malloc函数可以是线程安全的，也可以是线程不安全的。两者都不是可重入的：

Malloc在全局堆上运行，并且可能同时发生两次malloc的不同调用，返回相同的内存块。（第二个malloc调用应该在获取块的地址之前发生，但是块没有标记为不可用）。这违反了malloc的后置条件，因此这种实施方式不会重复。
为了防止这种影响，malloc的线程安全实现将使用基于锁的同步。但是，如果从信号处理程序调用malloc，则可能发生以下情况：
```
malloc();            //initial call
  lock(memory_lock); //acquire lock inside malloc implementation
signal_handler();    //interrupt and process signal
malloc();            //call malloc() inside signal handler
  lock(memory_lock); //try to acquire lock in malloc implementation
  // DEADLOCK!  We wait for release of memory_lock, but 
  // it won't be released because the original malloc call is interrupted
```
当从不同的线程调用malloc时，不会发生这种情况。实际上，重入概念超出了线程安全性，并且还要求函数正常工作即使其中一个调用永远不会终止。这基本上就是为什么带锁的任何函数都不可重入的原因。

printf功能也适用于全球数据。任何输出流通常使用附加到资源数据的全局缓冲区发送到（终端缓冲区或文件）。打印过程通常是一系列复制数据以缓冲并随后刷新缓冲区。这个缓冲区应该以与malloc相同的方式受到锁的保护。因此，printf也是不可重入的。

Answer 2

让我们理解re-entrant的含义。可以在上一次调用完成之前调用重入函数。如果

，可能会发生这种情况

在函数执行期间引发的信号中，在信号处理程序（或者通常比Unix某些中断处理程序）中调用函数
一个函数被递归调用

malloc不是可重入的，因为它正在管理几个跟踪空闲内存块的全局数据结构。

printf不可重入，因为它修改了一个全局变量，即FILE * stout的内容。

Answer 3

这里至少有三个概念，所有这些概念都用口语混为一谈，这可能就是你混淆的原因。

线程安全
关键部分
重入

首先采取最简单的方法： malloc和printf thread-safe 。自2011年以来，它们一直保证在标准C中是线程安全的，自2001年起在POSIX中保证，并且在此之前很久就已经实践。这意味着以下程序保证不会崩溃或表现出不良行为：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void *printme(void *msg) {
  while (1)
    printf("%s\r", (char*)msg);
}

int main() {
  pthread_t thr;
  pthread_create(&thr, NULL, printme, "hello");        
  pthread_create(&thr, NULL, printme, "goodbye");        
  pthread_join(thr, NULL);
}

非线程安全的函数示例是strtok。如果同时从两个不同的线程调用strtok，则结果是未定义的行为 - 因为strtok在内部使用静态缓冲区来跟踪其状态。 glibc添加了strtok_r来解决这个问题，C11添加了同样的东西（但是可选地，并且以不同的名称，因为Not Invented Here）为strtok_s。

好的，但printf是否也使用全球资源来构建其输出？事实上，它甚至意味着什么同时从两个线程打印到stdout？这将我们带到下一个主题。显然 printf将在任何使用它的程序中成为critical section。只允许一个执行线程同时位于关键部分内。

至少在符合POSIX标准的系统中，这是通过让printf以flockfile(stdout)调用开始并以funlockfile(stdout)调用结束来实现的，这基本上就像采取全局与stdout相关联的互斥锁。

但是，程序中的每个不同FILE都允许拥有自己的互斥锁。这意味着一个线程可以在第二个线程正在调用fprintf(f1,...)的同时调用fprintf(f2,...)。这里没有竞争条件。（你的libc是否真的并行运行这两个调用是一个QoI问题。我实际上并不知道glibc会做什么。）

类似地，malloc不太可能是任何现代系统中的关键部分，因为现代系统是smart enough to keep one pool of memory for each thread in the system，而不是让所有N个线程都在单个池中进行战斗。（sbrk系统调用仍然可能是一个关键部分，但malloc在sbrk。mmap或printf或其他任何酷孩子使用的时间都很少。这些天。）

好的，那么 re-entrancy实际意味着什么？基本上，这意味着可以安全地递归调用函数 - 当第二次调用运行时，当前调用被“暂停” ，然后第一次调用仍然能够“从中断的地方继续”。（从技术上讲，这个可能不是由于递归调用：第一次调用可能在线程A中，它在中间被线程B中断，这使得第二次调用。但这种情况只是一个线程安全的特例，我们可以在本段中忘记它。）

单个线程递归地调用malloc和printf都不可能，因为它们是叶子函数（它们不调用自身也不调用任何用户）受控制的代码，可能会进行递归调用）。而且，正如我们上面所看到的，自2001年以来，它们一直是针对*多*线程可重入调用的线程安全（通过使用锁）。

所以，谁告诉你malloc和printf不可重入的人是错的;他们想要说的可能是他们都有可能成为你程序中的关键部分 - 瓶颈只有一个线程可以一次通过。

迂腐：glibc确实提供了一个扩展，通过该扩展可以register_printf_function调用任意用户代码，包括重新调用自身。这在所有排列中都是完全安全的 - 至少就线程安全而言。（显然它打开了通向疯狂的格式字符串漏洞的大门。）有两种变体：register_printf_specifier（记录合理，理性“弃用”）和{{1 （除了一个额外的未记录参数和total lack of user-facing documentation之外，几乎相同）。我不会推荐他们中的任何一个，在这里提到它们仅仅是一个有趣的方面。

#include <stdio.h>
#include <printf.h>  // glibc extension

int widget(FILE *fp, const struct printf_info *info, const void *const *args) {
  static int count = 5;
  int w = *((const int *) args[0]);
  printf("boo!");  // direct recursive call
  return fprintf(fp, --count ? "<%W>" : "<%d>", w);  // indirect recursive call
}
int widget_arginfo(const struct printf_info *info, size_t n, int *argtypes) {
  argtypes[0] = PA_INT;
  return 1;
}
int main() {
  register_printf_function('W', widget, widget_arginfo);
  printf("|%W|\n", 42);
}

Answer 4

很有可能因为你无法开始写输出而另一次对printf的调用仍在打印它自己。内存分配和释放也是如此。

Answer 5

这是因为它们都适用于全局资源：堆内存结构和控制台。

编辑：堆只是一种链式列表结构。每个malloc或free都会对其进行修改，因此同时拥有多个线程并对其进行写入访问会损害其一致性。

EDIT2：另一个细节：默认情况下，它们可以通过使用互斥锁进行重写。但是这种方法成本很高，并且没有保证它们将始终用于MT环境。

因此有两种解决方案：制作2个库函数，一个是可重入的，一个是非，或者将互斥部分留给用户。他们选择了第二个。

另外，可能是因为这些函数的原始版本是不可重入的，因此为了兼容性而声明了这些版本。

Answer 6

如果你尝试从两个独立的线程调用malloc（除非你有一个线程安全的版本，不能用C标准保证），就会发生不好的事情，因为两个线程只有一个堆。对于printf也是如此 - 行为未定义。这就是他们实际上不可重入的原因。

为什么malloc（）和printf（）表示不可重入？

6 个答案: