圖解 | 打工人看騰訊這道多線程面試題
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1. 騷動的周五
小黑是大白前同事，現在倆人在不同的公司，但是都做后端開發工作。
雖然兩個人都在北京，但是距離不算近，一個在望京，一個在中關村，算是北京幾大IT聚集圈之二了。
兩個人日常除了工作，業余活動并不多，當然頭發也不多，宇宙中心五道口成了二人的集結地。
眨了5次眼，又到周五了，仿佛空氣都彌漫著明天放假的歡快氣息，當然還有騷動的大白和小黑：
大白看著時間差不多了，檢查完上線監控報警，沒啥問題，背上電腦走出了寫字樓。
中關村到五道口還是比較近的，掃上低碳環保的青桔單車，一路向北到北大東門轉彎來到了五道口地區。
小黑也坐上13號線，人貼人差點擠成肉餅，美食召喚下他還是在8點準時到了老地方。
大白：黑哥，你啥時候面的騰訊?掛了?你咋不找我內推我們公司呀!
小黑：還沒掛，等GM面呢，你們公司手撕紅黑樹，整不了啊。
大白：就你這樣，這么喜歡穿紅衛衣和黑褲子，不問你紅黑樹才怪。話說騰訊都問啥了?
小黑：騰訊的面試整體感覺還是不錯的，面試很寬泛，從操作系統、網絡到系統設計、常用組件都會問，并且不偏不怪。
大白：那確實不錯，是本著去挖掘和探測候選人技術邊界，有啥奈斯的問題嗎?講講啊
小黑：有個問題算是我的盲區了，給了幾個Linux系統函數，讓我看哪些是線程安全的，哪些是可重入的，并解釋下為啥。
大白：哦哦，這是考察對線程安全函數和可重入函數的理解。那你咋回答的?
小黑：臥槽，我說我不太會呀，然后就jump下一題了。要不你給我講講?我先干一個!
小黑說完，噸噸噸，一大杯啤酒下肚了，大白見狀扶了扶好幾年沒換的眼鏡，開始和小黑討論什么是線程安全和可重入。
2. 多線程和并發
在使用C++開發的服務端程序中多線程還是主流，一般來說會有個線程池來處理接收的請求，這樣可以有效提供服務器的并發能力和CPU的利用率。
但是，多線程也是一把雙刃劍。
單線程模式下，一切都是那么單調而穩定，所有的資源都是自己的，我的資源我做主。
多線程模式下，一個進程下裝載了多個線程，每個線程除了部分資源是獨享外，多個線程對大部分系統資源是共享的。
多個線程共享的進程資源：
- 內存
- 文件描述符
- 地址空間
- 全局數據
- ...
每個線程獨享的資源：
- 線程寄存器
- 線程棧
- 線程ID、錯誤返回碼、信號屏蔽碼
- ...
敲黑板劃重點：
1.進程是系統進行資源分配和調度的基本單位，線程是CPU調度和分派的基本單位;
2.進程是線程的載體，進程有獨立地址空間，所有線程共享所在進程的地址空間;
3.進程是系統資源的大股東，而線程基本上不擁有系統資源，只占用少量在運行中必不可少的資源，比如程序計數器、一組寄存器和調用棧;
同一個進程中的多個線程有點像合租，大家共用大部分資源，自己獨占一小部分資源，相互影響，然而但單進程單線程就是整租，自己獨占所有資源，誰也不影響。
掌握多線程中資源共享和相互影響的特點之后，再來看看線程安全和可重入就容易很多。
3. 什么是線程安全
計算機中所謂的安全大多是指結果的正確且可預測性。
前面我們知道，多線程運行起來雖然可以提高并發能力，但是多個線程會共享很多資源，比如寫全局數據，這種情況下就需要額外干預，否則將引發錯亂的結果。
線程安全是在擁有共享數據的多條線程并行執行的進程中，可以正常且正確的執行，不會出現數據污染等意外情況，反之則稱為線程不安全。
通俗一點講，線程安全就怎么跑都不亂，線程不安全就是一跑就可能五花八門。
所以可能產生線程不安全根本原因在于：共享數據且共享數據可變。
這些共享數據包括全局變量、局部靜態變量等，每個線程都可能對這個數據進行操作，并且操作結果會影響其他線程。
我們還經常提到另外一個術語：線程安全函數/線程安全類。
線程安全函數的一些特征：
- 無任何共享的數據，都是局部數據;
- 存在寫共享數據，但是進行了加鎖處理，可以實現多線程的同步調用;
- 存在讀但無寫共享數據，無需加鎖;
從圖中可以看到：
- 同一進程內有四個工作線程;
- 公共函數A 只執行打印操作，無論何時何線程調用，結果都是確定且正確的，因此是線程安全函數;
- 公共函數B 使用了全局變量Count，并對其進行遞增1操作，但是沒有進行加鎖同步處理，因此結果是不確定的，為線程不安全函數;
- 公共函數C 使用了全局變量Factor，并對其進行遞增2操作，使用了互斥鎖進行同步確保結果的正確，是線程安全函數;
在編寫多線程程序時，如果涉及多個線程操作一個公共函數，如果該函數本身不是線程安全的。
例如當一個函數F是線程安全函數，但是F調用線程不安全函數G時，同樣需要對G進行加鎖處理，否則函數F也將不安全。
在《深入理解計算機系統》一書中深入指出了線程不安全函數的分類：
- 不保護共享產量的函數
- 保持跨越多個調用狀態的函數
- 返回指向靜態變量的指針的函數
- 調用線程不安全函數的函數
前面介紹的幾個例子大部分都是全局變量的不加鎖控制相關的，還有兩種就是：
- 函數本次調用依賴于上次調用結果，也就是所謂的跨狀態，典型的Linux中的rand()函數;
- 函數將結果放在一個全局的指針中，典型的gethostbyname、localtime、strtok等;
- // 函數原型
- 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中將結果存放在timeinfo中，這個全局變量可以被任意的線程操作，因此將引發線程不安全。
對于Linux中線程不安全的函數可以查閱：
- https://man7.org/linux/man-pages/man7/pthreads.7.html
4. 可重入函數
在理解了線程安全的相關定義和形成原因之后，我們來看下什么是可重入。
先來看看可重入的相關定義：
一個程序可以在任意時刻被中斷，然后系統去執行另外一段代碼，結束后又調用繼續原來的子程序不會出錯，則稱其為可重入(reentrant或re-entrant)。
從根本上來說：
- 可重入函數只使用自己棧上的變量，不依賴任何外部數據，可以允許有該函數的多個副本在運行，因為每個調用者產生的函數棧都是相互獨立的;
- 不可重入函數使用了一些系統資源，如果被中斷的話，可能會出現問題;
可重入函數又分為兩大類：
- 顯式可重入：所有函數的參數都是值傳遞，并且只使用本地棧變量，那么函數就是顯示可重入的，無論如何調用，都是可重入的，是絕對無條件的。
- 隱式可重入：可重入函數中的一些參數是引用傳遞，只有在調用線程的時候傳遞指向非共享數據的指針時，它才是可重入的，是相對有條件的。
可重入函數需要滿足以下幾個條件：
- 函數內部不使用靜態或者全局數據
- 函數不返回靜態或全局數據，數據的產生都由調用者提供
- 不調用不可重入函數
從本質上來說，可重入函數實現了算法和數據的分離，函數內部的計算不依賴于外部，不影響也不受外部影響，是一種高效且安全的函數。
可重入函數都是線程安全函數，線程安全不一定是可重入函數。
不可重入函數可以遵守可重入規則去改造，從而變為可重入函數。
5. 小結
本文從多線程并發編程的一些特征進行闡述，引出了多線程下資源的共享本質。
正因為臨界資源和競態條件的存在，就產生了線程安全問題，在編寫多線程程序時一定要考慮線程不安全帶來的問題。
在理解線程安全的概念之后進一步引出了可重入函數。
從本質上來說，都是并發環境下由于共享資源帶來的問題。
就這樣，小黑聽完之后雖然一知半解，但也頻頻點頭，一看表快10點了，兩個打工人結完賬，消失在了去13號線五道口站的夜色中。
