可重入函數深度解析：多任務環境下的線程安全編程指南

在多任務/中斷環境中，可重入性 是函數能否被安全並發調用的核心屬性。本文從定義、反例、修復方案三個維度建立完整認知體系。

什麼是可重入函數？

可重入函數 可被多個任務/中斷同時調用，不導致數據損壞。特徵：

• 僅使用局部變量（棧/寄存器，天然隔離）
• 或使用全局變量但有完備保護機制（互斥鎖、關中斷、原子操作）
• 不調用非可重入函數
• 不操作共享硬體資源（或已互斥）

經典可重入案例：strcpy

void strcpy(char *dest, char *src) {
    while (*dest++ = *src++) { ; }
    *dest = '\0';
}

參數通過棧傳遞，每次調用擁有獨立副本，循環僅操作參數指向的內存 → 天然可重入。

經典非可重入反例：swap 全局暫存變量

int Temp;  // 全局變量！
void swap(int *x, int *y) {
    Temp = *x;
    *x = *y;
    *y = Temp;
}

並發災難時序

1. Task_L（低優先級）調用 swap(&a, &b)，執行 Temp = *x（Temp=1）
2. 中斷發生，Task_H（高優先級）就緒搶佔
3. Task_H 調用 swap(&c, &d)，Temp = *x（Temp=3），完成交換
4. Task_H 延遲釋放 CPU
5. Task_L 恢復，執行 *y = Temp → 用 Task_H 的 Temp=3 覆蓋 b！

後果： Task_L 數據損壞，且極難復現（需特定中斷時機）。

三種修復方案對比

進階：C/C++ 標準庫可重入性

• C11/C++11 起：標準庫函數若無明確說明為非可重入，默認是線程安全的（內部用 TLS 或鎖）
• 經典非可重入：strtok、asctime、localtime、rand、getenv、tmpnam
• 可重入替代版：strtok_r、localtime_r、rand_r、getenv_r（POSIX）
• malloc/free：現代實現均為線程安全（arena/per-thread cache）

工程檢查清單

總結

可重入性是嵌入式/系統級開發的「免疫系統」。優先將狀態局部化（棧上），實在需要共享狀態時，用最小粒度鎖保護。代碼評審時，對每個非靜態函數問一句：「這能被中斷/高優任務打斷重入嗎？」能攔截 90% 的並發 Bug。