Unix/Linux编程：竞态条件与sigsuspend函数

向右看齐 2022-10-16 06:14 219阅读 0赞

# 利用pause和alarm函数实现sleep #

#include <unistd.h>
    
    int pause(void);

pause函数使调用进程挂起直到有信号到达。如果信号的处理动作是终止进程，那么进程终止，pause()函数没有机会返回；如果信号的处理动作是忽略，那么进程继续出于挂起状态，pause()不放。如果信号的处理动作是捕捉，则调用了信号处理函数之后pause返回-1，errno被设置为EINTR，所以pause只有出错的返回值。错误码EINTR表示“被信号中断”

alam函数请参考[这里][Link 1]

下面使用pause和alarm实现sleep(3)函数，称为mysleep:

#include<stdio.h>
    #include<signal.h>
    #include<unistd.h>
    
    void sig_alrm(int signo)
    {
        
        /* nothing to do */
    }
    
    unsigned int mysleep(unsigned int nsecs){
        
        struct sigaction newact, oldact;
        unsigned int unslept;
    
        newact.sa_handler = sig_alrm;
        sigemptyset(&newact.sa_mask);
        newact.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);
    
        alarm(nsecs);
        pause();
    
        unslept = alarm(0);
        sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);
    
        return unslept;
    }
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        
        while (1)
        {
        
            mysleep(2);
            printf("Two seconds passed\n");
        }
        return 0;
    }

*  main函数调用mysleep函数，后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数sig\_alrm;
 *  调用alarm(nsecs)设定闹钟
 *  调用pause等待，内核切换到别的进程运行
 *  nses秒之后，闹钟超时，内核发SIGALRM给这个进程
 *  从内核态返回这个进程的用户态之前需要处理未决信号，发现有SIGALRM信号，其处理函数是sig\_alrm
 *  切换到用户态执行sig\_alrm函数，进行sig\_alrm函数时SIGALRM信号被自动屏蔽，从sig\_alrm函数返回时SIGALRM信号自动解除屏蔽。然后自动执行系统调用sigreturn再次进入内核，再返回用户态继续执行进程的主控制流程（main函数调用的mysleep函数）。
 *  pause函数返回-1，然后调用alarm(0)取消闹钟，调用sigaction恢复SIGALRM信号以前的处理动作

需要注意的是虽然sig\_alrm函数什么都没干，但还是得注册作为SIGALRM的处理函数，因为SIGALRM信号的默认处理是终止进程，这也是在mysleep函数返回时要恢复SIGALRM信号原来的sigaction的原因。此外，mysleep函数的返回值表示“未睡到”的时间，即unslept，当尚未计时到nsecs而pause函数先被其他信号处理函数所中断返回，在外界看来就是在sleep期间被其他信号处理函数中断了，则mysleep返回非0值，即unslept。当然如果是被SIGALRM handler所中断，则表示睡眠时间到，mysleep返回值为0。

# 竞态条件与sigsuspend函数 #

现在重新审视上面的mysleep函数，设想这样的时序

*  注册SIGALRM信号的处理函数
 *  调用alarm(usecs)设定闹钟
 *  内核调用优先级更高的进程取代当前进程执行，并且优先级更高的进程有很多个，每个又要执行很长时间
 *  nsecs秒后闹钟超时了，内核发送SIGALRM信号给这个进程，处于未决状态
 *  优先级更高的进程执行完了，内核要调度会这个进程执行，SIGARM信号递达，执行处理函数sig\_alrm之后再次进入内核
 *  返回这个进程的主控制流程，alarm(nsecs)返回，调用pause()挂起等待。
 *  可是SIGALRM信号已经处理完了，还等待什么呢？

出现这个问题的根本原因是系统运行的时序（Timing）并不像我们写程序时所设想的那样。虽然alarm(nsecs)紧接着的下一行就是pause()，但是无法保证pause()一定会在调用alarm(nsecs)之后的nsecs秒之内被调用。由于异步事件在任何时候都有可能发生（这里的异步事件指出现更高优先级的进程），如果我们写程序时考虑不周密，就可能由于时序问题而导致错误，这叫做竞态条件（Race Condition）。

如何解决上述问题呢？我们可能会想到，在调用pause之前屏蔽SIGALRM信号使它不能提前递达就可以了。看看以下方法可行吗？

1.  屏蔽SIGALRM信号;
2.  alarm(nsecs);
3.  解除对SIGALRM信号的屏蔽;
4.  pause();

从解除信号屏蔽到调用pause之间存在间隙，SIGALRM仍有可能在这个间隙递达。要消除这个间隙，我们把解除屏蔽移到pause后面可以吗？

1.  屏蔽SIGALRM信号;
2.  alarm(nsecs);
3.  pause();
4.  解除对SIGALRM信号的屏蔽;

这样更不行了，还没有解除屏蔽就调用pause，pause根本不可能等到SIGALRM信号。**要是“解除信号屏蔽”和“挂起等待信号”这两步能合并成一个原子操作就好了，这正是sigsuspend函数的功能**。sigsuspend包含了pause的挂起等待功能，同时解决了竞态条件的问题，在对时序要求严格的场合下都应该调用sigsuspend而不是pause。

#include <signal.h>
    
    int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

和pause一样，suspend没有成功返回值，只有执行了一个信号处理函数之后sigsuspend才返回，返回值为-1，errno设置为EINTR。

以下用sigsuspend重新实现mysleep函数：

#include<stdio.h>
    #include<signal.h>
    #include<unistd.h>
    
    void sig_alrm(int signo)
    {
        
        /* nothing to do */
    }
    
    unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
    {
        
        struct sigaction newact, oldact;
        sigset_t newmask, oldmask, suspmask;
        unsigned int unslept;
    
        /* set our handler, save previous information */
        newact.sa_handler = sig_alrm;
        sigemptyset(&newact.sa_mask);
        newact.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);
    
        /* block SIGALRM and save current signal mask */
        sigemptyset(&newmask);
        sigaddset(&newmask, SIGALRM);
        sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
    
        alarm(nsecs);
    
        suspmask = oldmask;
        sigdelset(&suspmask, SIGALRM); /* make sure SIGALRM isn't block */
    
        sigsuspend(&suspmask); /* wait for any signal to be caught */
    
        /* some signal has been caught. SIGALRM is now blocked */
        unslept = alarm(0);
        sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL); /* reset previous action */
    
        /* reset signal mask, which unblocks SIGALRM */
        sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
        return(unslept);
    }
    
    int main(void)
    {
        
        while (1)
        {
        
            mysleep(2);
            printf("Two seconds passed\n");
        }
        return 0;
    }

如果在调用mysleep函数时SIGALRM信号没有屏蔽：

1.  调用sigprocmask(SIG\_BLOCK, &newmask, &oldmask);时屏蔽SIGALRM。
2.  调用sigsuspend(&suspmask);时解除对SIGALRM的屏蔽，然后挂起等待待。
3.  SIGALRM递达后suspend返回，自动恢复原来的屏蔽字，也就是再次屏蔽SIGALRM。
4.  调用sigprocmask(SIG\_SETMASK, &oldmask, NULL);时再次解除对SIGALRM的屏蔽。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/111828242