Linux多线程编程问题
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Linux 多线程编程问题1重入问题传统的UNIX没有太多考虑线程问题，库函数里过多使用了全局和静态数据，导致严重的线程重入问题。
1.1–D_REENTRANT /-pthread和errno的重入问题。
所先UNIX的系统调用被设计为出错返回-1，把错误码放在errno中（更简单而直接的方法应该是程序直接返回错误码，或者通过几个参数指针来返回）。
由于线程共享所有的数据区，而errno是一个全局的变量，这里产生了最糟糕的线程重入问题。
比如：do {bytes = recv(netfd, recvbuf, buflen, 0);} while (bytes != -1 && errno != EINTR);在上面的处理recv被信号打断的程序里。
如果这时连接被关闭，此时errno应该不等于EINTR，如果别的线程正好设置errno为EINTR，这时程序就可能进入死循环。
其它的错误码处理也可能进入不可预测的分支。
在线程需求刚开始时，很多方面技术和标准（TLS）还不够成熟，所以在为了解决这个重入问题引入了一个解决方案，把errno定义为一个宏：extern int *__errno_location (void);#define errno (*__errno_location())在上面的方案里，访问errno之前先调用__errno_location()函数，线程库提供这个函数，不同线程返回各自errno的地址，从而解决这个重入问题。
在编译时加-D_REENTRANT就是启用上面的宏，避免errno重入。
另外-D_REENTRANT还影响一些stdio的函数。
在较高版本的gcc里，有很多嵌入函数的优化，比如把printf(“Hello\n”);优化为puts(“hello\n”);之类的，有些优化在多线程下有问题。
所以gcc引入了–pthread 参数，这个参数出了-D_REENTRANT外，还校正一些针对多线程的优化。
因为宏是编译时确定的，所以没有加-D_REENTRANT编译的程序和库都有errno重入问题，原则上都不能在线程环境下使用。
不过在一般实现上主线程是直接使用全局errno变量的，也就是__errno_location()返回值为全局&errno，所以那些没加-D_REENTRANT编译的库可以在主线程里使用。
这里仅限于主线程，有其它且只有一个固定子线程使用也不行，因为子线程使用的errno地址不是全局errno变量地址。
对于一个纯算法的库，不涉及到errno和stdio等等，有时不加_REENTRANT也是安全的，比如一个纯粹的加密/解谜函数库。
比较简单的判断一个库是否有errno问题是看看这个库是使用了errno还是__errno_location()：readelf -s libxxx.so | grep errno另外一个和errno类似的变量是DNS解析里用到的h_errno变量，这个变量的重入和处理与errno一样。
这个h_errno用于gethostbyXX这个系列的函数。
1.2库函数重入早期很多unix函数设计成返回静态buffer。
这些函数都是不能重入的。
识别这些函数有几个简单的规则：1.2.1stdio函数是可以重入的。
这是因为stdio函数入口都会调用flockfile()锁定FILE。
另外stdio也提供不锁定（非重入）的函数，这些函数以_unlock结尾，具体参见man unlocked_stdio。
利用这些特性可以做到多个stdio的互斥操作。
如：flockfile(fp);fwrite_unlocked(rec1, reclen1, 1, fp);fwrite_unlocked(rec2, reclen2, 1, fp);funlockfile(fp);1.2.2返回动态分配数据的函数，这些一般是可以重入的。
这些函数的特点是返回的指针需要显式释放，用free或者配对的释放函数。
如：getaddrinfo /freeaddrinfomalloc/strdup/calloc/freefopen/fdopen/popen/fcloseget_current_dir_name/freeasprintf/vasprintf/freegetline/getdelim/freeregcomp/regfree1.2.3函数返回一个和输入参数无关的数据，而且不需要free的大部分情况下是不可重入的。
如gmtime, ntoa, gethostbyname…1.2.4函数依赖一个全局数据，在多次或者多个函数间维护状态的函数是不可重入的。
如getpwent, rand…1.2.5带有_r变体的函数都是不可重入的。
这些函数大部分是上面两类的。
这些变体函数是可重入的代替版本。
可以用下面命令查看glibc有多少这种函数：readelf -s /lib/libc.so.6 | grep _r@这些函数名有很大一部分是getXXbyYY, getXXid, getXXent, getXXnam1.2.6rand，lrand48系列随机数不可重入的原因在于这些函数使用一个全局的状态，并且都有相应的_r变体。
重入这些非线程安全的函数不会有稳定性问题，不过会导致随机数不随机（可预测）。
在要求比较严格的随机数应用里，建议用/dev/random和/dev/urandom，这两个设备的不同在于前者读出的数据理论上是绝对随机的，在系统无法提供足够随机数据时读会阻塞。
后者只是提供尽量随即的数据，随机度不够时用算法生成伪随机数来代替，所以不会阻塞。
1.2.7不可重入函数处理。
对大部分不可重入函数可以使用对应的_r变体。
有些函数可能没有对应_r变体，可以选用类似功能的函数替换。
如：inet_ntoa inet_ntopctime → strftime, asctime, localtime_r+sprintfgethostbyname, getservbyname → getaddrinfo1.2.8用其它代码/逻辑替换不可重入代码1.2.9有些库有两个版本，带和不带_r/_mt/th等后缀的，多线程一般用带后缀的版本的库。
1.3应用程序的线程安全1.3.1全局量/共享资源互斥访问1.3.2相关数据原子操作1.3.3操作顺序2互斥逻辑同步逻辑不仅仅是多线程程序的问题，在多进程环境里也经常使用。
同步逻辑有很多种，其中最常用的就是互斥逻辑，也就是锁。
由于历史原因，LINUX下产生了好多锁定API，下面列个简单的表格：2.1Fcntl文件锁2.1.1支持偏移量。
也就是可以用一个文件模拟许多互斥锁。
2.1.2进程锁非线程锁。
也就是线程之间无法互斥。
老的2.4 kernel没有支持这个POSIX标准，所以可以跨线程使用。
2.1.3相关句柄关闭导致文件解锁。
这个锁是按进程+文件定位的，也就是同一进程打开多次文件使用相同的锁定关系。
即使只关闭其中一个句柄导致解锁。
在2.4 kernel下也有这个问题，任何线程关闭对应文件句柄，不是导致该线程解锁，而是导致所有线程解锁。
2.1.4逻辑死锁检测。
2.2Flock文件锁2.2.1按句柄锁定2.2.2进程的句柄继承2.3SYSV semaphore2.3.1信号量。
2.3.2性能比文件锁要好。
2.3.3可以同时对多个信号量进行复合操作2.3.4/proc/sys/kernel/sem: SEMMSL SEMMNS SEMOPM SEMMNI2.3.4.1SEMMSL, 每个信号量ID里的最大信号量数2.3.4.2SEMMNS, 系统总信量灯数，小于SEMMSL x SEMMNI2.3.4.3SEMOPM, 每次semop最大操作个数2.3.4.4SEMMNI, 信号量ID数2.3.5高版kernel有等待超时机制#include <unistd.h>#include <asm/unistd.h>#ifndef SEMTIMEDOP#define SEMTIMEDOP 4#endifstatic inlineint semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops, struct timespec *timeout){return syscall(__NR_ipc, SEMTIMEDOP, semid, nsops, 0, sops, timeout);}2.4Mutex和rwlock2.4.1在非竞争下性能最好2.4.2NPTL使用futex实现，竞争条件下性能也不错。
Linuxthread在竞争时由管理线程仲裁，开销较大。
2.4.3无crash自动解锁机制2.4.4有等待超时机制2.5内存原子操作2.5.1内存原子操作是多CPU系统里最基本的互斥操作。
所有的其它逻辑都是建立这之上的。
2.5.2整数操作，操作书为一个int类型。
有些非x86的CPU只支持到24位值。
#include <asm/atomic.h>atomic_t value;int v;v=atomic_read(&value);atomic_set(&value, v);atomic_add(v, &value);atomic_sub(v, &value);atomic_sub_and_test(v, &value); /*返回结果是否为0*/atomic_inc(&value);atomic_dec(&value);atomic_dec_and_test(&value); /*返回结果是否为0*/atomic_inc_and_test(&value); /*返回结果是否为0*/atomic_set_mask(mask, &value);atomic_clear_mask(mask, &value);2.5.3bitmap位图操作#include <asm/bitops.h>void * bitmap;int nr;set_bit(nr, bitmap); /* OR */clear_bit(nr, bitmap); /* AND ~ */change_bit(nr, bitmap); /* XOR */test_bit(nr, bitmap);test_and_set_bit(nr, bitmap); /* 返回旧值*/test_and_clear_bit(nr, bitmap); /* 返回旧值*/test_and_change_bit(nr, bitmap); /* 返回新值*/这些函数前面可以加两个下划线__表示非原子操作。
