線程安全

線程安全是程式設計中的術語，指某個函數、函數庫在多執行緒環境中被調用時，能夠正確地處理多個執行緒之間的公用變數，使程序功能正確完成。

假設有間銀行只有 1000 元，而兩個人同時提領 1000 元時就可能會拿到總計 2000 元的金額。為了避免這個問題，該間銀行提款時應該使用互斥鎖，即意味著針對同一個資源處理時，前一個人提領交易完成後才處理下一筆交易。但這種手法會使得效能降低。

一般來說，線程安全的函數應該為每個調用它的線程分配專門的空間，來儲存需要單獨保存的狀態（如果需要的話），不依賴於「線程慣性」，把多個線程共享的變量正確對待（如，通知編譯器該變數為「易失（volatile）」型，阻止其進行一些不恰當的優化），而且，線程安全的函數一般不應該修改全局對象。

很多C庫代碼（比如某些strtok的實現，它將「多次調用中需要保持不變的狀態」儲存在靜態變量中，導致不恰當的共享）不是線程安全的，在多執行緒環境中調用這些函數時，要進行特別的預防措施，或者尋找別的替代方案。

例子

在下面這段代碼中，函數increment_counter是線程安全的，但不是可重入的。

#include <pthread.h>

int increment_counter ()
{
	static int counter = 0;
	static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

	pthread_mutex_lock(&mutex);
	
	// only allow one thread to increment at a time
	++counter;
	// store value before any other threads increment it further
	int result = counter;	

	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	
	return result;
}

上面的代碼中，函數increment_counter可以在多個線程中被調用，因為有一個互斥鎖mutex來同步對共享變量counter的訪問。但是如果這個函數用在可重入的中斷處理程序中，如果在pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex)之間產生另一個調用函數increment_counter的中斷，則會第二次執行此函數，此時由於mutex已被lock，函數會在pthread_mutex_lock(&mutex)處阻塞，並且由於mutex沒有機會被unlock，阻塞會永遠持續下去。簡言之，問題在於 pthread 的 mutex 不可重入。

解決辦法是設定 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 屬性。然而對於給出的問題而言，專門使用一個 mutex 來保護一次簡單的增量操作顯然過於昂貴，因此c++11中的原子變量提供了一個可使此函數既線程安全又可重入（而且還更簡潔）的替代方案：

#include <atomic>

int increment_counter ()
{
	static std::atomic<int> counter(0);
	
	// increment is guaranteed to be done atomically
	int result = ++counter;

	return result;
}

外部連結

• Thread-safe Tcl Extensions （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（wiki page）
• Thread-safe design
• Article "Design for thread safety" by Bill Venners
• Article "Write thread-safe servlets" by Phillip Bridgham