重入和線程安全

在整個文檔中，"重入"和 "線程安全 "這兩個術語被用來標記類和函數，以表明它們在多線程應用程序中的使用方式：

• 線程安全函數可以同時被多個線程調用，即使調用使用的是共享數據，因為共享數據的所有引用都已序列化。
• 可重入函數也可以同時被多個線程調用，但前提是每次調用都使用自己的數據。

因此，線程安全的函數總是可重入的，但可重入的函數并不總是線程安全的。

推而廣之，如果一個類的成員函數可以被多個線程安全調用，只要每個線程使用的是該類的不同實例，那么這個類就是可重入的。如果可以從多個線程安全地調用類的成員函數，即使所有線程都使用類的相同實例，該類也是線程安全的。

注意：?只有當 Qt 類被多個線程使用時，才會被記錄為線程安全。如果函數未標記為線程安全或可重入，則不應在不同線程中使用。如果一個類未標記為線程安全或可重入，則該類的特定實例不得從不同線程訪問。

重入

C++ 類通常是可重入的，原因很簡單，因為它們只訪問自己的成員數據。任何線程都可以調用可重入類實例的成員函數，只要其他線程不能同時調用該類同一實例的成員函數。例如，下面的Counter?類就是可重入類：

class Counter
{
public:Counter() { n = 0; }void increment() { ++n; }void decrement() { --n; }int value() const { return n; }private:int n;
};

該類不是線程安全的，因為如果多個線程試圖修改數據成員n?，結果是未定義的。這是因為++?和--?操作符并不總是原子性的。事實上，它們通常擴展為三條機器指令：

1. 將變量值載入寄存器。
2. 遞增或遞減寄存器的值。
3. 將寄存器的值存儲回主內存。

如果線程 A 和線程 B 同時加載變量的舊值、遞增寄存器并將其存儲回去，那么它們最終會互相覆蓋，而變量只會遞增一次！

導致類不可重入的典型設計模式

• 使用靜態數據成員或全局狀態
  • 如果類依賴靜態變量或全局資源，多個實例或線程共享這些狀態時可能引發沖突。
• 單例模式未正確實現線程安全
  • 單例類若在初始化時未加鎖，多線程可能創建多個實例，破壞單例語義。
• 未保護共享外部資源
  • 類若操作文件、數據庫連接等外部資源時未加鎖，多線程訪問會導致資源沖突。
• 依賴非線程安全的第三方庫
  • 若類封裝了非線程安全的第三方 API，直接暴露給多線程環境會導致不可重入。
• 成員函數修改共享內部狀態
  • 若類的成員函數修改共享的成員變量，且未同步，多線程調用會破壞狀態。
  • 比如緩存類（不可沖入）：多線程調用?add()?可能導致?std::map?內部狀態損壞。

  • class Cache {
    private:std::map<std::string, std::string> data_;
    public:void add(const std::string& key, const std::string& value) {data_[key] = value;  // 多線程寫入可能破壞 map 結構}
    };

線程安全

顯然，訪問必須序列化：線程 A 必須不間斷（原子地）執行步驟 1、2、3，然后線程 B 才能執行相同的步驟；反之亦然。讓類具有線程安全的簡單方法是使用QMutex?保護對數據成員的所有訪問：

class Counter
{
public:Counter() { n = 0; }void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }private:mutable QMutex mutex;int n;
};

QMutexLocker?類會在構造函數中自動鎖定互斥體，并在函數結束調用析構函數時解除鎖定。鎖定互斥確保來自不同線程的訪問將被序列化。mutex?數據成員使用mutable?限定符聲明，因為我們需要在value()?中鎖定和解鎖互斥體，而 是一個常量函數。

Qt 類注意事項

許多 Qt 類都是可重入的，但它們并不是線程安全的，因為如果讓它們成為線程安全的，就會產生重復鎖定和解鎖QMutex?的額外開銷。例如，QString?是可重入的，但不是線程安全的。您可以安全地同時從多個線程訪問QString?的不同實例，但無法安全地同時從多個線程訪問QString?的同一實例（除非您使用QMutex?保護自己的訪問）。

有些 Qt 類和函數是線程安全的。這些主要是與線程相關的類（如QMutex?）和基本函數（如QCoreApplication::postEvent() ）。

注：?多線程領域的術語并不完全標準化。POSIX 使用的可重入和線程安全定義與其 C API 有些不同。在 Qt 中使用其他面向對象的 C++ 類庫時，請務必理解這些定義。

Reentrancy and Thread-Safety | Qt 6.8