【第16期】可重入性（Reentrancy）：编写线程安全函数

当一个函数正在被主程序执行时，如果突然发生中断，且中断服务程序（ISR）也调用了这个函数，会发生什么？系统会崩溃吗？数据会乱套吗？

如果一个函数在上述情况下能安全运行，结果正确，我们就称它是可重入的 (Reentrant)。反之，就是不可重入的。

在裸机开发中，"线程安全"通常指的就是"中断安全"。

1. 事故现场：函数的“双重人格”

假设我们有一个看似人畜无害的字符串处理函数，或者一个 LCD 绘图函数：

int g_temp; // 一个全局临时变量

void functional_math(int x) {
    g_temp = x * 2;
    // ... 假设这里经过了一些耗时的计算 ...
    g_temp = g_temp + 5;
    return g_temp;
}

推演过程：

1. 主程序调用 functional_math(10)。

2. 函数执行 g_temp = 10 * 2 (即 20)。

3. 中断触发！CPU 暂停主程序，跳入 ISR。

4. ISR 居然也调用了 functional_math(100)。

5. ISR 中的函数执行 g_temp = 100 * 2 (即 200)。注意：全局变量 g_temp 被改写了！

6. ISR 执行完毕，g_temp 最终结果是 205，ISR 返回。

7. 回到主程序。主程序继续执行 g_temp = g_temp + 5。

8. 主程序原本以为 g_temp 是 20，结果拿到的是 ISR 改写后的 205。

9. 最终主程序返回 210，而不是预期的 25。逻辑错误产生。

在这个例子中，functional_math 就是典型的不可重入函数。

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2. 判决标准：谁是“不可重入”的罪魁祸首？

要编写一个可重入的函数，必须死守以下三条红线。只要踩了其中一条，这个函数在中断里调用就是不安全的。

红线一：使用了全局变量或静态局部变量

这是最常见的原因。函数如果不纯粹，依赖了函数栈以外的存储空间（Global 或 Static），那么这些空间就是所有调用者的“共享资源”。

• 例外：如果对全局变量的使用进行了严格的原子操作或关中断保护，那么可以视为可重入。

红线二：调用了其他“不可重入”的函数

这是一条传递性规则。如果你的函数里调用了一个坏函数，那你的函数也变坏了。

• 典型案例：printf、malloc、free。

红线三：使用了硬件资源（主要指未被保护的外设寄存器）

如果在函数里操作了特定的硬件（比如向 LCD 控制器的 FIFO 寄存器写数据），而没有加锁。当重入发生时，硬件的时序或 FIFO 顺序会被打乱。

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3. 为什么 ISR 里严禁调用 printf？

这是新手最爱犯的错误：为了调试方便，在中断里打印 log。

printf 是标准库函数，它的底层实现通常包含极其复杂的逻辑：

1. 缓冲区管理：标准库维护着一个全局的输出缓冲区。

2. 资源锁：为了支持多线程，标准库往往会使用信号量或锁机制。

3. 硬件操作：最终调用 fputc 发送 UART。

风险推演：

• 主程序调用 printf，刚刚获取了缓冲区的“锁”，准备填数据。

• 中断来了，ISR 也调用 printf。

• ISR 试图去获取同一个“锁”。

• 因为锁已经被主程序拿走了，ISR 只能等待。

• 死锁 (Deadlock)：主程序在等中断结束才能释放锁，中断在等主程序释放锁才能结束。系统彻底卡死。

工程建议：

1. 永远不要在 ISR 里调用标准库的 printf。

2. 如果非要打印，使用简易版的、不带缓冲、直接操作寄存器的自定义打印函数（前提是该 UART 端口只在中断里用，或者加了关中断保护）。

3. 更好的做法：ISR 只置标志位或记录数据，打印工作交给主循环去做。

4. 为什么 ISR 里严禁调用 malloc/free？

malloc 管理着堆（Heap）内存链表。这是一个巨大的全局数据结构。 如果在调整链表指针的过程中（比如刚断开前一个节点，还没接上后一个节点）被中断打断，且中断里又调用了 malloc，堆内存链表就会崩溃，导致内存泄漏或野指针访问。

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5. 如何编写“可重入”函数？

要让函数变得纯净、安全，可以采取以下策略：

1. 只使用局部变量： 局部变量分配在栈 (Stack) 上。 每次调用函数，CPU 都会在栈上新开辟一块区域。主程序调用的上下文，和中断调用的上下文，它们的栈空间是完全独立的，互不干扰。这是实现可重入最自然的方法。

2. 数据隔离： 如果函数必须访问全局数据，通过参数指针传入，而不是直接在函数内部引用固定的全局变量。

3. 临界区保护： 如果非要操作全局变量或硬件，请务必使用关中断（上一期讲的内容）来包裹那部分代码。

修改后的安全版本：

// 纯函数：只操作栈上的局部变量 x 和 temp
// 无论被重入多少次，每个上下文都有自己的 x 和 temp，互不影响
int functional_math_safe(int x) {
    int temp; 
    temp = x * 2;
    temp = temp + 5;
    return temp;
}

关键点归纳：

1. 可重入性：指一个函数可以安全地被“打断并再次调用”。

2. 三大杀手：全局/静态变量、调用了不可重入函数（如 printf/malloc）、硬件资源冲突。

3. 黄金法则：中断服务程序越简单越好，尽量只做纯计算或状态标记，涉及复杂逻辑和标准库调用的操作，尽量扔回主循环处理。