Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Reentrant (подпрограмма) )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В вычислении , компьютерная программа или подпрограмма называется реентерабельной , если несколько вызовов могут безопасно работать одновременно на однопроцессорную систему, где возвратная процедура может быть прервана в середине его выполнения , а затем смело можно назвать еще раз ( «вновь вошли») до того, как его предыдущие вызовы завершат выполнение. Прерывание может быть вызвано внутренним действием, таким как переход или вызов, или внешним действием, таким как прерывание или сигнал , в отличие от рекурсии , где новые вызовы могут быть вызваны только внутренним вызовом.

Это определение происходит из среды мультипрограммирования, где поток управления может быть прерван прерыванием и передан в подпрограмму обслуживания прерывания (ISR) или подпрограмму «обработчик». Любая подпрограмма, используемая обработчиком, которая потенциально могла выполняться при срабатывании прерывания, должна быть реентерабельной. Часто подпрограммы, доступные через ядро операционной системы , не реентерабельны. Следовательно, подпрограммы обслуживания прерываний ограничены в действиях, которые они могут выполнять; например, им обычно запрещен доступ к файловой системе, а иногда и выделение памяти.

Это определение повторного входа отличается от определения потоковой безопасности в многопоточных средах. Повторяющаяся подпрограмма может обеспечить потокобезопасность [1], но одной реентерабельной подпрограммы может быть недостаточно для обеспечения потоковой безопасности во всех ситуациях. И наоборот, потокобезопасный код не обязательно должен быть реентерабельным (примеры см. Ниже).

Другие термины, используемые для реентерабельных программ, включают «чистую процедуру» [2] или «разделяемый код». [3] Реентерабельные подпрограммы иногда отмечаются в справочных материалах как «безопасные для сигналов». [4]

Фон [ править ]

Повторная входимость - это не то же самое, что идемпотентность , при которой функция может вызываться более одного раза, но генерировать точно такой же результат, как если бы она была вызвана только один раз. Вообще говоря, функция производит выходные данные на основе некоторых входных данных (хотя оба они, как правило, необязательны). К общим данным может получить доступ любая функция в любое время. Если данные могут быть изменены какой-либо функцией (и ни одна из них не отслеживает эти изменения), нет гарантии для тех, кто разделяет данные, что эти данные такие же, как и когда-либо ранее.

Данные имеют характеристику, называемую областью действия , которая описывает, где в программе могут использоваться данные. Область данных может быть глобальной (вне области действия какой-либо функции и неопределенной степени) или локальной (создается каждый раз при вызове функции и уничтожается при выходе).

Локальные данные не используются ни в каких процедурах, повторно вводимых или нет; следовательно, это не влияет на повторный вход. Глобальные данные определены вне функций и могут быть доступны более чем одной функции, либо в форме глобальных переменных (данные, совместно используемые всеми функциями), либо как статические переменные (данные, общие для всех функций с одним и тем же именем). В объектно-ориентированном программировании глобальные данные определяются в области видимости класса и могут быть частными, что делает их доступными только для функций этого класса. Также существует понятие переменных экземпляра, где переменная класса привязана к экземпляру класса. По этим причинам в объектно-ориентированном программировании это различие обычно зарезервировано для данных, доступных вне класса (общедоступные), и для данных, не зависящих от экземпляров класса (статические).

Повторная входимость отличается от потоковой безопасности , но тесно связана с ней . Функция может быть поточно-ориентированной и при этом не реентерабельной. Например, функция может быть обернута вокруг мьютекса (что позволяет избежать проблем в многопоточных средах), но, если эта функция использовалась в подпрограмме обслуживания прерывания, она могла бы голодать, ожидая первого выполнения, чтобы освободить мьютекс. Ключом к недопущению путаницы является то, что реентерабельность относится к выполнению только одного потока. Это концепция тех времен, когда еще не существовало многозадачных операционных систем.

Правила повторного входа [ править ]

Реентерабельный код не может содержать статические или глобальные непостоянные данные.
Реентерабельные функции могут работать с глобальными данными. Например, подпрограмма обслуживания повторного прерывания может захватывать часть состояния оборудования для работы (например, буфер чтения последовательного порта), которая является не только глобальной, но и изменчивой. Тем не менее, типичное использование статических переменных и глобальных данных не рекомендуется в том смысле, что в этих переменных должны использоваться только атомарные инструкции чтения-изменения-записи (прерывание или сигнал не должны поступать во время выполнения таких переменных). инструкция). Обратите внимание, что в C даже чтение или запись не гарантируется атомарностью; он может быть разделен на несколько операций чтения или записи. [5] Стандарт C и SUSv3 обеспечивают sig_atomic_tэту цель, хотя с гарантиями только для простых операций чтения и записи, а не для увеличения или уменьшения.[6] Более сложные атомарные операции доступны в C11 , который предоставляетstdatomic.h.
Реентерабельный код не может изменять себя .
Операционная система может позволить процессу изменять свой код. Для этого есть различные причины (например, быстрое копирование графики), но это может вызвать проблемы с повторным входом , поскольку в следующий раз код может быть другим .
Однако он может модифицироваться, если находится в собственной уникальной памяти. То есть, если каждый новый вызов использует другое место физического машинного кода, в котором создается копия исходного кода, он не повлияет на другие вызовы, даже если он изменится во время выполнения этого конкретного вызова (потока).
Реентерабельный код не может вызывать не реентерабельные компьютерные программы или подпрограммы .
Несколько уровней приоритета пользователя, объекта или процесса или многопроцессорности обычно усложняют управление повторно входимым кодом. Важно отслеживать любой доступ или побочные эффекты, которые происходят в рамках процедуры, предназначенной для повторного входа.

Повторный вход подпрограммы, которая работает с ресурсами операционной системы или нелокальными данными, зависит от атомарности соответствующих операций. Например, если подпрограмма изменяет 64-битную глобальную переменную на 32-битной машине, операция может быть разделена на две 32-битные операции, и, таким образом, если подпрограмма прерывается во время выполнения и вызывается снова из обработчика прерывания , глобальная переменная может находиться в состоянии, в котором были обновлены только 32 бита. Язык программирования может предоставлять гарантии атомарности для прерывания, вызванного внутренним действием, таким как переход или вызов. Тогда функция fв выражении вроде(global:=1) + (f()), где порядок оценки подвыражений может быть произвольным в языке программирования, глобальная переменная будет либо установлена ​​в 1, либо в свое предыдущее значение, но не в промежуточном состоянии, когда была обновлена ​​только часть. (Последнее может произойти в C , потому что выражение не имеет точки последовательности .) Операционная система может предоставлять гарантии атомарности для сигналов , таких как системный вызов, прерванный сигналом, не имеющим частичного эффекта. Аппаратное обеспечение процессора может обеспечивать гарантии атомарности для прерываний , таких как прерванные инструкции процессора, не имеющие частичных эффектов.

Примеры [ править ]

Чтобы проиллюстрировать повторный вход, в этой статье в качестве примера используется служебная функция C , swap()которая принимает два указателя и меняет их значения, а также подпрограмму обработки прерывания, которая также вызывает функцию обмена.

Ни реентерабельность, ни потокобезопасность [ править ]

Это пример функции подкачки, которая не может быть реентерабельной или поточно-ориентированной. Поскольку tmpпеременная используется глобально, без сериализации, среди любых параллельных экземпляров функции, один экземпляр может мешать данным, на которые полагается другой. Таким образом, его не следовало использовать в подпрограмме обслуживания прерывания isr():

int  tmp ;недействительный  своп ( int *  x ,  int *  y ) {  tmp  =  * x ;  * х  =  * у ;  / * Аппаратное прерывание может вызвать здесь isr (). * /  * y  =  tmp ;  }void  isr () {  int  x  =  1 ,  y  =  2 ;  своп ( & x ,  & y ); }

Поточно-ориентированная, но не реентерабельная [ править ]

Функцию swap()в предыдущем примере можно сделать потокобезопасной, сделав tmp поток локальной . Он по-прежнему не может быть реентерабельным, и это будет продолжать вызывать проблемы, если isr()вызывается в том же контексте, что и уже выполняющийся поток swap():

_Thread_local  int  tmp ;недействительный  своп ( int *  x ,  int *  y ) {  tmp  =  * x ;  * х  =  * у ;  / * Аппаратное прерывание может вызвать здесь isr (). * /  * y  =  tmp ;  }void  isr () {  int  x  =  1 ,  y  =  2 ;  своп ( & x ,  & y ); }

Реентерабельность, но не потокобезопасная [ править ]

Следующая (несколько надуманная) модификация функции подкачки, которая заботится о том, чтобы глобальные данные оставались в согласованном состоянии на момент выхода, является реентерабельной; однако он не является потокобезопасным, поскольку не используются блокировки, его можно прервать в любой момент:

int  tmp ;void  swap ( int *  x ,  int *  y ) {  / * Сохранить глобальную переменную. * /  int  s ;  s  =  tmp ; tmp  =  * x ;  * х  =  * у ;  / * Если здесь происходит аппаратное прерывание, то оно не сможет сохранить значение tmp. Так что это тоже не повторный пример * /  * y  =  tmp ;  / * Аппаратное прерывание может вызвать здесь isr (). * / / * Восстанавливаем глобальную переменную. * /  tmp  =  s ; }void  isr () {  int  x  =  1 ,  y  =  2 ;  своп ( & x ,  & y ); }

Реентерабельность и потокобезопасность [ править ]

Реализация swap()этого выделяется tmpв стеке, а не глобально и вызывается только с неразделенными переменными, поскольку параметры [a] одновременно являются потокобезопасными и реентерабельными. Поточно-ориентированный, потому что стек является локальным для потока, а функция, работающая только с локальными данными, всегда будет давать ожидаемый результат. Нет доступа к общим данным, следовательно, нет гонки за данными.

пустая  подкачка ( int *  x ,  int *  y ) {  int  tmp ;  tmp  =  * x ;  * х  =  * у ;  * y  =  tmp ;  / * Аппаратное прерывание может вызвать здесь isr (). * / }void  isr () {  int  x  =  1 ,  y  =  2 ;  своп ( & x ,  & y ); }

Повторный обработчик прерывания [ править ]

Повторный обработчик прерывания - это обработчик прерывания, который повторно включает прерывания на ранней стадии обработчика прерывания. Это может уменьшить задержку прерывания . [7] В общем, при программировании подпрограмм обслуживания прерываний рекомендуется как можно скорее повторно разрешить прерывания в обработчике прерывания. Эта практика помогает избежать потери прерываний. [8]

Дальнейшие примеры [ править ]

В следующем коде fни gфункции, ни функции не реентерабельны.

int  v  =  1 ;int  f () {  v  + =  2 ;  вернуть  v ; }int  g () {  возврат  f ()  +  2 ; }

В приведенном выше f()примере зависит от непостоянной глобальной переменной v; таким образом, если f()выполнение прерывается во время выполнения ISR, которая изменяет v, то повторный вход в него f()вернет неправильное значение v. Значение vи, следовательно, возвращаемое значение fнельзя предсказать с уверенностью: они будут варьироваться в зависимости от того, было ли изменено прерывание vво время fвыполнения. Следовательно, fне является реентерабельным. Также нет g, потому что он вызывает f, а это не реентерабельность.

Эти слегка измененные версии являются реентерабельными:

int  f ( int  я ) {  вернуть  я  +  2 ; }int  g ( int  я ) {  вернуть  е ( я )  +  2 ; }

Далее функция является поточно-ориентированной, но не реентерабельной:

int  функция () {  mutex_lock (); // ...  // тело функции  // ... mutex_unlock (); }

В приведенном выше function()примере можно без проблем вызывать разные потоки. Но если функция используется в обработчике повторного прерывания и второе прерывание возникает внутри функции, вторая подпрограмма зависнет навсегда. Поскольку обслуживание прерывания может отключить другие прерывания, может пострадать вся система.

Заметки [ править ]

  1. ^ Если isr ​​() вызывает swap () с одной или двумя глобальными переменными в качестве параметров, swap () не будет реентерабельным

См. Также [ править ]

  • Ссылочная прозрачность

Ссылки [ править ]

  1. ^ Керриск 2010 , стр. 657 .
  2. ^ Баррон, Дэвид Уильям (1968) [1967]. «3.2. Специальные методы». Написано в Кембридже, Великобритания. В Гилле, Стэнли (ред.). Рекурсивные техники в программировании . Компьютерные монографии Макдональда (1-е изд.). Лондон, Великобритания: Macdonald & Co. (Publishers) Ltd., стр. 35 . SBN 356-02201-3. (viii + 64 страницы)
  3. Перейти ↑ Ralston 2000 , p. 1514–1515.
  4. ^ "pthread_cond_init () - Инициализировать переменную условия" . Центр знаний IBM . Проверено 5 октября 2019 .
  5. ^ Прешинг, Джефф (2013-06-18). «Атомные и неатомные операции» . Обновление по программированию . Архивировано 3 декабря 2014 года . Проверено 24 апреля 2018 .
  6. ^ Керриск 2010 , стр. 428 .
  7. ^ Слосс и др. 2004 , стр. 342 .
  8. ^ Регер, Джон (2006). «Безопасное и структурированное использование прерываний в реальном времени и встроенном ПО» (PDF) . Справочник по системам реального времени и встроенным системам . CRC Press . Архивировано (PDF) из оригинала 24 августа 2007 г. - через сайт автора в Школе вычислительной техники Университета Юты.

Процитированные работы [ править ]

  • Керриск, Майкл (2010). Программный интерфейс Linux . Пресс без крахмала .
  • Ральстон, Энтони , изд. (2000). «Реентерабельная программа». Энциклопедия компьютерных наук (4-е изд.). Издательская группа "Природа" .
  • Слосс, Эндрю Н .; Саймс, Доминик; Райт, Крис ; Рэйфилд, Джон (2004). Руководство разработчика системы ARM . Издательство Морган Кауфманн. ISBN 9780080490496.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Чен, Раймонд (2004-06-29). «Разница между потокобезопасностью и повторным входом» . Старая новая вещь . Сеть разработчиков Microsoft . Архивировано 24 апреля 2018 года . Проверено 24 апреля 2018 .
  • Гэнссл, Джек (2001-03-15). «Введение в реентерабельность» . Embedded.com . Архивировано 21 января 2013 года . Проверено 24 апреля 2018 .
  • IBM (2018). «Общие концепции программирования» (PDF) . Руководство по AIX версии 7.2 . п. 636–641 . Проверено 24 апреля 2018 .
  • Джа, Дипак (20 января 2005 г.). «Используйте реентерабельные функции для более безопасной обработки сигналов» . IBM DeveloperWorks . Архивировано 07 июля 2014 года . Проверено 24 апреля 2018 .