Linux系統(tǒng)編程 —時序競態(tài)

路人甲Java 2022-06-01 發(fā)布于北京

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時序競態(tài)

什么是時序競態(tài)？將同一個程序執(zhí)行兩次，正常情況下，前后兩次執(zhí)行得到的結(jié)果應(yīng)該是一樣的。但由于系統(tǒng)資源競爭的原因，前后兩次執(zhí)行的結(jié)果有可能得到不一樣的結(jié)果，這個現(xiàn)象就是時序競態(tài)。

pause函數(shù)

函數(shù)原型：

int pause(void);

函數(shù)作用：

進程調(diào)用pause函數(shù)時，會造成進程主動掛起（處于阻塞狀態(tài)，并主動放棄CPU），并且等待信號將其喚醒。

返回值：

我們知道，信號的處理方式有三種：1. 默認動作；2. 忽略處理；3. 捕捉。進程收到一個信號后，會先處理響應(yīng)信號，再喚醒pause函數(shù)。于是有下面幾種情況：

① 如果信號的默認處理動作是終止進程，則進程將被終止，也就是說一收到信號進程就終止了，pause函數(shù)根本就沒有機會返回；

② 如果信號的默認處理動作是忽略，則進程將直接忽略該信號，相當(dāng)于沒收到這個信號，進程繼續(xù)處于掛起狀態(tài)，pause函數(shù)不返回；

③ 如果信號的處理動作是捕捉，則進程調(diào)用完信號處理函數(shù)之后，pause返回-1，errno設(shè)置為EINTR，表示“被信號中斷”。

④ pause收到的信號不能被屏蔽，如果被屏蔽，那么pause就不能被喚醒。

因為alarm函數(shù)可以在設(shè)定的時間之后發(fā)送SIGALRM信號，pause函數(shù)又可以將進程掛起等待信號，則二者結(jié)合可以自己寫一個sleep函數(shù)，如下：

 1#include <unistd.h>
 2#include <signal.h>
 3#include <stdio.h>
 4
 5void sig_alrm(int signo)
 6{
 7    /* nothing to do */
 8}
 9
10unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
11{
12    unsigned int unslept;
13
14    signal(SIGALRM, &sig_alrm);
15    unslept = alarm(nsecs); 
16    pause();
17
18    return unslept;
19}
20
21
22int main(void)
23{
24    while(1){
25        mysleep(2);
26        printf("Two seconds passed\n");
27    }
28
29    return 0;
30}

時序競態(tài)前導(dǎo)例

在講時序競態(tài)具體現(xiàn)象之前，我們先來看一個生活中常見的場景：

想午睡10分鐘，于是定了個10分鐘的鬧鐘，希望10分鐘后鬧鐘將自己叫醒。

正常情況：定好鬧鐘，午睡，10分鐘后鬧鐘叫醒自己；

異常情況：定好鬧鐘，躺下睡覺2分鐘，被同學(xué)叫醒去打球，打了20分鐘后回來繼續(xù)睡覺。但在打球期間，鬧鐘早就響過了，將不會再喚醒自己。

這個例子與之后要講的時序競態(tài)有很大的相似之處。

時序競態(tài)問題分析

我們再回過頭來看上面所寫的mysleep程序。這個函數(shù)有可能是下面的時序：

SIGALRM默認動作是終止進程，因此我們要將其捕捉，對SIGALRM注冊信號處理函數(shù)；
調(diào)用alarm(1)函數(shù)定時1秒鐘；
alarm(1)調(diào)用結(jié)束，定時器開始計時。就在這時，進程失去CPU，進入就緒態(tài)等待CPU（相當(dāng)于被同學(xué)叫醒去打球）。失去CPU的方式有可能是內(nèi)核調(diào)度了優(yōu)先級更高的進程取代了當(dāng)前進程，使得當(dāng)前進程無法獲得CPU；
我們知道，alarm函數(shù)如果采用自然定時法的話，定時器將一直計時，與進程狀態(tài)無關(guān)。于是，1秒后，鬧鐘定時時間到，內(nèi)核向當(dāng)前進程發(fā)送SIGALRM信號。高優(yōu)先級進程尚未執(zhí)行完畢，當(dāng)前進程仍然無法獲得CPU，繼續(xù)處于就緒態(tài)，信號無法處理（處于未決狀態(tài)）；
優(yōu)先級高的進程執(zhí)行完畢，當(dāng)前進程獲得CPU資源，內(nèi)核調(diào)度回當(dāng)前進程執(zhí)行。SIGALRM信號遞達，并被進程處理；
信號處理完畢后，返回當(dāng)前主控流程，并調(diào)用pause()函數(shù)，掛起等待alarm函數(shù)發(fā)送的SIGALRM信號將自己喚醒；
但實際SIGALRM信號已經(jīng)處理完畢，pause()函數(shù)永遠不會等到。

解決時序競態(tài)問題

通過以上時序分析，我們可以看出，造成時序競態(tài)的原因就是SIGALRM信號在進程失去CPU的時候就已經(jīng)發(fā)送過來。為了防止這個現(xiàn)象出現(xiàn)，我們可以先將該信號阻塞，將其“抓住”，再在解除阻塞的時候立刻調(diào)用pause函數(shù)掛起等待。這樣即使在調(diào)用alarm就失去CPU，也可以在進程重新獲得CPU時將抓到的SIGALRM信號重新“放出來”，并將之后的pause函數(shù)喚醒。

但在解除阻塞與pause等待掛起信號之間，還是有可能失去CPU，除非將這兩個步驟做成一個“原子操作”。Linux系統(tǒng)提供的sigsuspend函數(shù)就具備這個功能。所以，在時序要求比較嚴格的場合下都應(yīng)該使用sigsuspend函數(shù)，而非pause函數(shù)。

函數(shù)原型：

int sigsuspend(const sigset_t *mask);

函數(shù)作用：

掛起等待信號；

函數(shù)參數(shù)：

mask，傳入?yún)?shù)，sigsuspend函數(shù)調(diào)用期間，進程信號屏蔽字由參數(shù)mask指定。

具體用法：可將某個信號（如SIGALRM）從臨時信號屏蔽字mask中刪除，也就是在調(diào)用sigsuspend函數(shù)時對該信號解除屏蔽，然后掛起等待信號。但我們此時已經(jīng)改變了進程的信號屏蔽字，所以調(diào)用完sigsuspend函數(shù)之后，應(yīng)將進程的信號屏蔽字恢復(fù)原樣。

 1#include <unistd.h>
 2#include <signal.h>
 3#include <stdio.h>
 4
 5void sig_alrm(int signo)
 6{
 7    /* nothing to do */
 8}
 9
10unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
11{
12    struct sigaction newact, oldact;
13    sigset_t newmask, oldmask, suspmask;
14    unsigned int unslept;
15
16    //1.為SIGALRM設(shè)置捕捉函數(shù)，一個空函數(shù)
17    newact.sa_handler = sig_alrm;
18    sigemptyset(&newact.sa_mask);
19    newact.sa_flags = 0;
20    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);
21
22    //2.設(shè)置阻塞信號集，阻塞SIGALRM信號
23    sigemptyset(&newmask);
24    sigaddset(&newmask, SIGALRM);
25   sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);   //信號屏蔽字 mask
26
27    //3.定時n秒，到時后可以產(chǎn)生SIGALRM信號
28    alarm(nsecs);
29
30    /*4.構(gòu)造一個調(diào)用sigsuspend臨時有效的阻塞信號集，
31     *  在臨時阻塞信號集里解除SIGALRM的阻塞*/
32    suspmask = oldmask;
33    sigdelset(&suspmask, SIGALRM);
34
35    /*5.sigsuspend調(diào)用期間，采用臨時阻塞信號集suspmask替換原有阻塞信號集
36     *  這個信號集中不包含SIGALRM信號,同時掛起等待，
37     *  當(dāng)sigsuspend被信號喚醒返回時，恢復(fù)原有的阻塞信號集*/
38    sigsuspend(&suspmask); 
39
40    unslept = alarm(0);
41    //6.恢復(fù)SIGALRM原有的處理動作，呼應(yīng)前面注釋1
42    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);
43
44    //7.解除對SIGALRM的阻塞，呼應(yīng)前面注釋2
45    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
46
47    return(unslept);
48}
49
50int main(void)
51{
52    while(1){
53        mysleep(2);
54        printf("Two seconds passed\n");
55    }
56
57    return 0;
58}

可重入函數(shù)/不可重入函數(shù)

一個函數(shù)在被調(diào)用執(zhí)行期間尚未調(diào)用結(jié)束的時候，由于某種時序，該函數(shù)又被重復(fù)調(diào)用，這種情況稱為「重入」。如果從信號處理程序返回，則繼續(xù)執(zhí)行進程斷點處的正常指令序列，從重新恢復(fù)到斷點重新執(zhí)行的過程中，函數(shù)所依賴的環(huán)境沒有發(fā)生改變，就說這個函數(shù)是可重入的，反之就是不可重入的。

如果要將函數(shù)做成可重入函數(shù)，則函數(shù)內(nèi)不能含有全局變量及static變量，也不能使用malloc、free。

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