中斷函數(shù)調(diào)用不可重入函數(shù)的后果

1 前言

最近在公司維護(hù)的項(xiàng)目中碰到一個(gè)解決了定位很久的 bug , bug 找到的時(shí)候發(fā)現(xiàn)犯了很低級(jí)的錯(cuò)誤——在中斷處理函數(shù)中調(diào)用了 printf 函數(shù)，因?yàn)橹袛嗵幚砗瘮?shù)的調(diào)用了不可重入函數(shù)，導(dǎo)致中斷丟失和系統(tǒng)位置錯(cuò)誤，這里直接導(dǎo)致嵌入式 linux 系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)程中的所有線(xiàn)程停掉，進(jìn)而導(dǎo)致看門(mén)狗進(jìn)程得不到喂狗，設(shè)備重啟。

• 那什么是不可重入函數(shù)呢？
• 為什么中斷處理函數(shù)不能直接調(diào)用不可重入函數(shù)？
• 怎樣寫(xiě)可重入函數(shù)？

就以上三個(gè)問(wèn)題展開(kāi)小短文：

2 什么是不可重入函數(shù)？

可重入函數(shù)主要用于多任務(wù)環(huán)境中，一個(gè)可重入的函數(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是可以被中斷的函數(shù)，也就是說(shuō)，可以在這個(gè)函數(shù)執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)入 OS 調(diào)度下去執(zhí)行另外一段代碼，而返回控制時(shí)不會(huì)出現(xiàn)什么錯(cuò)誤；而不可重入的函數(shù)由于使用了一些系統(tǒng)資源，比如全局變量區(qū)，中斷向量表等，所以它如果被中斷的話(huà)，可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這類(lèi)函數(shù)是不能運(yùn)行在多任務(wù)環(huán)境下的。

滿(mǎn)足下列條件的函數(shù)多數(shù)是不可重入的：

• 函數(shù)體內(nèi)使用了靜態(tài)（static）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
• 函數(shù)體內(nèi)調(diào)用了 malloc() 或者 free() 函數(shù)；
• 函數(shù)體內(nèi)調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn) I/O 函數(shù);

A. 可重入函數(shù)

void strcpy(char *lpszDest, char *lpszSrc) 
{ while(*lpszDest++=*lpszSrc++);///< 使用的局部變量 *dest=0; }

B. 不可重入函數(shù)1

char cTemp;    ///< 全局變量 void SwapChar1(char *lpcX, char *lpcY) { cTemp=*lpcX; *lpcX=*lpcY; lpcY=cTemp; ///< 訪(fǎng)問(wèn)了全局變量 }

C. 不可重入函數(shù)2

void SwapChar2(char *lpcX,char *lpcY)
{
    static char cTemp;  ///< 靜態(tài)局部變量 cTemp=*lpcX; *lpcX=*lpcY; lpcY=cTemp; ///< 使用了靜態(tài)局部變量 }

3 為什么中斷處理函數(shù)不能直接調(diào)用不可重入函數(shù)？

在多任務(wù)系統(tǒng)下，中斷可能在任務(wù)執(zhí)行的任何時(shí)間發(fā)生；如果一個(gè)函數(shù)的執(zhí)行期間被中斷后，到重新恢復(fù)到斷點(diǎn)進(jìn)行執(zhí)行的過(guò)程中，函數(shù)所依賴(lài)的環(huán)境沒(méi)有發(fā)生改變，那么這個(gè)函數(shù)就是可重入的，否則就不可重入。

在中斷前后不都要保存和恢復(fù)上下文嗎，怎么會(huì)出現(xiàn)函數(shù)所依賴(lài)的環(huán)境發(fā)生改變了呢？我們知道中斷時(shí)確實(shí)保存一些上下文，但是僅限于返回地址，cpu 寄存器等之類(lèi)的少量上下文，而函數(shù)內(nèi)部使用的諸如全局或靜態(tài)變量，buffer 等并不在保護(hù)之列，所以如果這些值在函數(shù)被中斷期間發(fā)生了改變，那么當(dāng)函數(shù)回到斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，其結(jié)果就不可預(yù)料了。

在中斷處理函數(shù)中調(diào)用有互斥鎖保護(hù)的全局變量，如果恰好該變量正在被另一個(gè)線(xiàn)程調(diào)用，會(huì)導(dǎo)致中斷處理函數(shù)不能及時(shí)返回，導(dǎo)致中斷丟失等嚴(yán)重問(wèn)題。

并且在多線(xiàn)程環(huán)境中使用，在沒(méi)有加鎖的情況下，對(duì)同一段內(nèi)存塊進(jìn)行并發(fā)讀寫(xiě)，就會(huì)造成 segmentfault/coredump 之類(lèi)的問(wèn)題。

總而言之，中斷處理函數(shù)做的事情越簡(jiǎn)單越好。

4 如何寫(xiě)出可重入的函數(shù)？

• 在函數(shù)體內(nèi)不訪(fǎng)問(wèn)那些全局變量；
• 如果必須訪(fǎng)問(wèn)全局變量，記住利用互斥信號(hào)量來(lái)保護(hù)全局變量?；蛘哒{(diào)用該函數(shù)前關(guān)中斷，調(diào)用后再開(kāi)中斷；
• 不使用靜態(tài)局部變量；
• 堅(jiān)持只使用缺省態(tài)（auto）局部變量；
• 在和硬件發(fā)生交互的時(shí)候，切記關(guān)閉硬件中斷。完成交互記得打開(kāi)中斷，在有些系列上，這叫做“進(jìn)入/退出核心”或者用 OS_ENTER_KERNAL/OS_EXIT_KERNAL 來(lái)描述；
• 不能調(diào)用任何不可重入的函數(shù)；
• 謹(jǐn)慎使用堆棧。最好先在使用前先 OS_ENTER_KERNAL；