Thread-Safe的理解與分析

⓪原創: 蕭沖
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何謂thread-safe？ 這個問題我看過許多論壇都有討論過，都總讓人覺得不很滿意。在此，筆者想要用更logical的方式來把議題說清楚。首先，我要了解它的定義！ 定義若都不明白就難以判別安不安全了！

thread是什麼呢？ 可能也有人不太了解。就從這裡開始… 當cpu處理一段(區塊)的程式碼時，從開始的第一行程式碼來跑就算是thead的開始，直到區塊的最後一行程式結束，就算是thread的結束。所謂的「主thread」，在dos (或dos like)程式裡，就是指main( )這個函式的開始到結束的一個thread。而主thread以外的一個子thread則是指程式人員自行在主thread裡再定義一個「程式區塊」，並請cpu同步的去執行那個區塊。

由上面的thread的定義來看，我們可以進而推論所謂的multithread這個字其實是有三種情形的，哪三種呢？
1/ 相同的一個程式區塊，請cpu"分出多身"來執行它！
2/ 不同的程式區塊，請cpu各別分時的去執行每個區塊
3/ 混合以上二種情形

所以，當我們在討論多緒/多線程(multithread)的問題時，我們要先去了解問題是上面三類的哪一類。許多的情形下，都是指第一類！

我們再把「程式區塊」給解析一下。它可以是一個function，或是一個class，或是上述二者的混合體。因為function或是class都會使用到變數，於是多緒時變數的共享就成了一個很大的問題。這就是為什麼會有thread-safe的這個議題了！

到此為止，我們可以想像若一個程序(process / 主thread)裡，有大於等於一個子thread在跑，就會產生thread-safe的問題。以最簡單的情形來說，mainthread+user自定的一個thread。假設Button元件按下後會寫入一個item至memo元件裡，而同時間的一個thread則會取用memo裡的item。假想當thread在取用item做分析的時候，user不知情的按下button，那麼thread是否有可能會取到不正確的item？ 若不經過特別的安全設定，肯定「取用」時時而會出問題！

因此，到底安全或不安全的根源就在那執行的區塊程式碼上了(以上例就是取用的過程)。我要補充一個重要的事，其實每一個thread都有自己的一個專屬stack，所以auto級(local)的區域變數是不會有共享的問題，因為它們都是存放在thread各自的記憶體空間內，彼此不甘擾。也就是說，若你的程式區塊中，所有使用到的變數都是local(auto)變數，那你這個區塊，或說這個thread，就算是thread-safe！ 相反的，若你的區塊中有用到全域的變數，那麼你的這個thread就有可能是不安全。請注意看，是有可能，並非一定是。

如何把含有全域變數的thread分析出安全或不安全？其實這是很直覺的。比如說某全域變數int g被thread使用到，但整個thread裡只參考到一次，那算安全嗎？ 答案是…安全。因為單一基本變數的一次存取cpu處理極快，不太會有衝突。又，若是某全域變數 struct tag 被參考到一次，那算安全嗎？ 答案是…不太安全，因為一個結構體的存取可能涉及到多個微指令。進一步的用上面的例子來說，若int g被參考到2次(含)以上，那就肯定不安全了。比如說第一次是把g設成k，第二次把g再設給某變數i，若thread1正在處理第二次參考，而thread2在處理第一次參考。那thread1可能會得到意外的答案！

如何讓不安全的thread變成安全的？？ 其實主要的方法有二類。

1/ 存取共用全域變數時加上lock的機制，而這lock的機制在windows上可以使用mutex、criticalsection、event、semaphore等物件配合WaitForSingleObject或WaitForMultipleObject二個api來控制。其原理就是當某thread在取用資料時，其他的通通都停止並等待，直到該thread取用完。

2/ 把存取全域變數的動作通通交給某一個thread全全處理。比如說你有thread1，thread2，thread3。當要存取全域的struct變數時，thread2就把工作交給thread1做，然後自己停住等thread1完成，thread3也把工作交給thread1做，並等待… 。這原理應該容易理解，因為不安全的工作全都交給"單一"的thread來處理時，那份工作就安全了呀！當然，這也不禁讓我們覺得，這樣效能非常的差！ 通通都在等thread1。 不過還好的是，若少少的用還ok，若許多的工作都交給某一thread順序來處理，那就真的沒意義了！而這種方式其實就是bcb或delphi裡的synchronize這個方法的處理方式！

後註: class 其實也像是一種function，所以class本身也是存在著安全與否的問題。倘若該class裡的menthod有用到全域的變數時，該class也算是不安全的! 而許多的VCL就是這類的class!

註2: 若什麼是auto變數、stack都還不清楚，請先自行google或查程式語言的書，這是很基本且重要但易被忽略的章節。