在更改数组内容时通过位于数组中的指针调用函数

Question

我有一个函数，它遍历函数指针数组并按顺序调用这些函数中的每一个。

如果函数指针数组的内容在这个过程中发生了变化，会发生什么？函数调用是否可以被认为是足够原子的，以确保不会发生任何意外，或者必须注意不要在例如压栈时更改函数指针？

下面的一些示例（伪）代码。 init() 在启动时运行一次，而 callFunctions() 定期运行，比如每秒一次。然后 changeFunctions() 出现并更改 functionPtrArray[] 的内容。这可能发生在任何时间点，因为代码在类似操作系统的环境中的不同进程中运行。

void (*functionPtrArray[3]) ( void );

void init( void )
{
   functionPtrArray[0] = function1;
   functionPtrArray[1] = function2;
   functionPtrArray[2] = function3;
}

void callFunctions( void )
{
   for ( i = 0; i < 3; i++ )
   {
      *functionPtrArray[i]();
   }
}

void changeFunctions( void )
{
   functionPtrArray[0] = newFunction1;
   functionPtrArray[1] = newFunction2;
   functionPtrArray[2] = newFunction3;
}

Answer 1

编辑：我太长了，被伦丁抢先了：https://stackoverflow.com/a/42201493/5592711

重要的一点：在C 中调用函数归结为跳转，因此当程序执行函数时，更改用于进行函数调用的假设指针不会改变程序流程，因为指令指针已经在函数内。

比如在这个sn-p中some_function()会正常执行，不受ptr的修改影响。

void(*ptr)(void) = &some_function;
(*ptr)();
// ... in another thread, while 'some_function()' is executing
ptr = &other_function;

然而，你在这里提出了一个重要的观点，因为内存操作不是原子的，一些线程可以在另一个线程正在读取它的同时修改 functionPtrArray[0] 元素，这将导致它跳转到一些垃圾地址并导致你的程序会失败，就像这个假设的例子一样。

为确保线程之间的同步，您可以使用mutexes，例如使用pthread 库（您可以自己谷歌一下，您会发现很多信息）。

在您的示例中，使用此类同步可能如下所示：

// You can use static mutex initialization
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void callFunctions( void )
{
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   for ( i = 0; i < 3; i++ )
   {
      *functionPtrArray[i]();
   }
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

void changeFunctions( void )
{
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   functionPtrArray[0] = newFunction1;
   functionPtrArray[1] = newFunction2;
   functionPtrArray[2] = newFunction3;
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

这样，修改函数指针数组和执行函数是互斥的任务。 你应该知道这个例子有几个限制：

1. 在整个函数执行过程中互斥锁被锁定（不需要，你可以锁定它来读取函数指针，解锁然后执行它们）
2. 函数必须不自己调用changeFunctions，否则最终会陷入死锁。

Answer 2

callFunctions() 定期运行，例如每秒一次。然后 changeFunctions() 出现并更改 functionPtrArray[] 的内容。这可能发生在任何时间点，因为代码在类似操作系统环境的不同进程中运行。

根据您的描述，很明显functionPtrArray 数组被多个线程/进程以不同步的方式（即data race）修改和访问 4 次。 因此，您需要以一种或其他方式提供同步。

Answer 3

这与多线程场景中的任何变量的情况相同。不，除非您使用 C11 中的 _Atomic 限定符，否则它们不能被视为原子。

在许多情况下，函数指针的读取不会是原子的。具有 16 位地址的 8 位 CPU 就是一个示例。其中一些架构具有确保安全、不间断地处理 16 位索引寄存器的指令，而其他架构则没有。另一个例子是任何支持超出默认地址总线宽度的扩展内存的架构（银行，“远指针”）。

就代码而言，函数指针数组不得被另一个线程/进程/ISR/回调更改，否则可能会发生竞争条件错误。您必须使用 semaphore/mutex/critical section 保护对数组的访问。

由于函数调用可能会占用一些执行时间，但您不想在执行期间阻塞所有其他线程。最好在本地复制函数指针，如以下伪代码所示：

void callFunctions( void )
{
  for ( i = 0; i < 3; i++ )
  {
    void(*local)(void);

    grab_mutex();
      local = functionPtrArray[i];
    release_mutex();

    local(); // call is completely thread-safe
  }
}