图解|打工人看腾讯这道多线程面试题

1. 骚动的周五

小黑是大白前同事，现在俩人在不同的公司，但是都做后端开发工作。

虽然两个人都在北京，但是距离不算近，一个在望京，一个在中关村，算是北京几大IT聚集圈之二了。

两个人日常除了工作，业余活动并不多，当然头发也不多，宇宙中心五道口成了二人的集结地。

眨了5次眼，又到周五了，仿佛空气都弥漫着明天放假的欢快气息，当然还有骚动的大白和小黑：

大白看着时间差不多了，检查完上线监控报警，没啥问题，背上电脑走出了写字楼。

中关村到五道口还是比较近的，扫上低碳环保的青桔单车，一路向北到北大东门转弯来到了五道口地区。

小黑也坐上13号线，人贴人差点挤成肉饼，美食召唤下他还是在8点准时到了老地方。

大白：黑哥，你啥时候面的腾讯？挂了？你咋不找我内推我们公司呀！

小黑：还没挂，等GM面呢，你们公司手撕红黑树，整不了啊。

大白：就你这样，这么喜欢穿红卫衣和黑裤子，不问你红黑树才怪。话说腾讯都问啥了？

小黑：腾讯的面试整体感觉还是不错的，面试很宽泛，从操作系统、网络到系统设计、常用组件都会问，并且不偏不怪。

大白：那确实不错，是本着去挖掘和探测候选人技术边界，有啥奈斯的问题吗？讲讲啊

小黑：有个问题算是我的盲区了，给了几个Linux系统函数，让我看哪些是线程安全的，哪些是可重入的，并解释下为啥。

大白：哦哦，这是考察对线程安全函数和可重入函数的理解。那你咋回答的？

小黑：卧槽，我说我不太会呀，然后就jump下一题了。要不你给我讲讲？我先干一个！

小黑说完，吨吨吨，一大杯啤酒下肚了，大白见状扶了扶好几年没换的眼镜，开始和小黑讨论什么是线程安全和可重入。

2. 多线程和并发

在使用C++开发的服务端程序中多线程还是主流，一般来说会有个线程池来处理接收的请求，这样可以有效提供服务器的并发能力和CPU的利用率。

但是，多线程也是一把双刃剑。

单线程模式下，一切都是那么单调而稳定，所有的资源都是自己的，我的资源我做主。

多线程模式下，一个进程下装载了多个线程，每个线程除了部分资源是独享外，多个线程对大部分系统资源是共享的。

多个线程共享的进程资源：

• 内存

• 文件描述符

• 地址空间

• 全局数据

• ...

每个线程独享的资源：

• 线程寄存器

• 线程栈

• 线程ID、错误返回码、信号屏蔽码

• ...

敲黑板划重点：

1.进程是系统进行资源分配和调度的基本单位，线程是CPU调度和分派的基本单位；

2.进程是线程的载体，进程有独立地址空间，所有线程共享所在进程的地址空间；

3.进程是系统资源的大股东，而线程基本上不拥有系统资源，只占用少量在运行中必不可少的资源，比如程序计数器、一组寄存器和调用栈；

同一个进程中的多个线程有点像合租，大家共用大部分资源，自己独占一小部分资源，相互影响，然而但单进程单线程就是整租，自己独占所有资源，谁也不影响。

掌握多线程中资源共享和相互影响的特点之后，再来看看线程安全和可重入就容易很多。

3. 什么是线程安全

计算机中所谓的安全大多是指结果的正确且可预测性。

前面我们知道，多线程运行起来虽然可以提高并发能力，但是多个线程会共享很多资源，比如写全局数据，这种情况下就需要额外干预，否则将引发错乱的结果。

线程安全是在拥有共享数据的多条线程并行执行的进程中，可以正常且正确的执行，不会出现数据污染等意外情况，反之则称为线程不安全。

通俗一点讲，线程安全就怎么跑都不乱，线程不安全就是一跑就可能五花八门。

所以可能产生线程不安全根本原因在于：共享数据且共享数据可变。

这些共享数据包括全局变量、局部静态变量等，每个线程都可能对这个数据进行操作，并且操作结果会影响其他线程。

我们还经常提到另外一个术语：线程安全函数/线程安全类。

线程安全函数的一些特征：

• 无任何共享的数据，都是局部数据；

• 存在写共享数据，但是进行了加锁处理，可以实现多线程的同步调用；

• 存在读但无写共享数据，无需加锁；

从图中可以看到：

• 同一进程内有四个工作线程；

• 公共函数A 只执行打印操作，无论何时何线程调用，结果都是确定且正确的，因此是线程安全函数；

• 公共函数B 使用了全局变量Count，并对其进行递增1操作，但是没有进行加锁同步处理，因此结果是不确定的，为线程不安全函数；

• 公共函数C 使用了全局变量Factor，并对其进行递增2操作，使用了互斥锁进行同步确保结果的正确，是线程安全函数；

在编写多线程程序时，如果涉及多个线程操作一个公共函数，如果该函数本身不是线程安全的。

例如当一个函数F是线程安全函数，但是F调用线程不安全函数G时，同样需要对G进行加锁处理，否则函数F也将不安全。

在《深入理解计算机系统》一书中深入指出了线程不安全函数的分类：

• 不保护共享产量的函数

• 保持跨越多个调用状态的函数

• 返回指向静态变量的指针的函数

• 调用线程不安全函数的函数

前面介绍的几个例子大部分都是全局变量的不加锁控制相关的，还有两种就是：

• 函数本次调用依赖于上次调用结果，也就是所谓的跨状态，典型的Linux中的rand()函数；

• 函数将结果放在一个全局的指针中，典型的gethostbyname、localtime、strtok等；

// 函数原型
struct tm * localtime(const time_t *clock);

/* localtime example */
#include <stdio.h> 
#include <time.h> 

int main ()
{
  time_t rawtime;
  struct tm * timeinfo;

  time (&rawtime);
  timeinfo = localtime (&rawtime);

return 0;
}

在localtime中将结果存放在timeinfo中，这个全局变量可以被任意的线程操作，因此将引发线程不安全。

对于Linux中线程不安全的函数可以查阅：

https://man7.org/linux/man-pages/man7/pthreads.7.html

4. 可重入函数

在理解了线程安全的相关定义和形成原因之后，我们来看下什么是可重入。

先来看看可重入的相关定义：

一个程序可以在任意时刻被中断，然后系统去执行另外一段代码，结束后又调用继续原来的子程序不会出错，则称其为可重入（reentrant或re-entrant）。

从根本上来说：

• 可重入函数只使用自己栈上的变量，不依赖任何外部数据，可以允许有该函数的多个副本在运行，因为每个调用者产生的函数栈都是相互独立的；

• 不可重入函数使用了一些系统资源，如果被中断的话，可能会出现问题；

可重入函数又分为两大类：

• 显式可重入：所有函数的参数都是值传递，并且只使用本地栈变量，那么函数就是显示可重入的，无论如何调用，都是可重入的，是绝对无条件的。

• 隐式可重入：可重入函数中的一些参数是引用传递，只有在调用线程的时候传递指向非共享数据的指针时，它才是可重入的，是相对有条件的。

可重入函数需要满足以下几个条件：

• 函数内部不使用静态或者全局数据

• 函数不返回静态或全局数据，数据的产生都由调用者提供

• 不调用不可重入函数

从本质上来说，可重入函数实现了算法和数据的分离，函数内部的计算不依赖于外部，不影响也不受外部影响，是一种高效且安全的函数。

可重入函数都是线程安全函数，线程安全不一定是可重入函数。

不可重入函数可以遵守可重入规则去改造，从而变为可重入函数。

5. 小结

本文从多线程并发编程的一些特征进行阐述，引出了多线程下资源的共享本质。

正因为临界资源和竞态条件的存在，就产生了线程安全问题，在编写多线程程序时一定要考虑线程不安全带来的问题。

在理解线程安全的概念之后进一步引出了可重入函数。

从本质上来说，都是并发环境下由于共享资源带来的问题。

就这样，小黑听完之后虽然一知半解，但也频频点头，一看表快10点了，两个打工人结完账，消失在了去13号线五道口站的夜色中。