Linux系統編程 —時序競態

時序競態

什麼是時序競態？將同一個程序執行兩次，正常狀況下，先後兩次執行獲得的結果應該是同樣的。但因爲系統資源競爭的緣由，先後兩次執行的結果有可能獲得不同的結果，這個現象就是時序競態。

pause函數

函數原型：

int pause(void);

函數做用：

進程調用pause函數時，會形成進程主動掛起（處於阻塞狀態，並主動放棄CPU），而且等待信號將其喚醒。

返回值：

咱們知道，信號的處理方式有三種：1. 默認動做；2. 忽略處理；3. 捕捉。進程收到一個信號後，會先處理響應信號，再喚醒pause函數。因而有下面幾種狀況：

① 若是信號的默認處理動做是終止進程，則進程將被終止，也就是說一收到信號進程就終止了，pause函數根本就沒有機會返回；

② 若是信號的默認處理動做是忽略，則進程將直接忽略該信號，至關於沒收到這個信號，進程繼續處於掛起狀態，pause函數不返回；

③ 若是信號的處理動做是捕捉，則進程調用完信號處理函數以後，pause返回-1，errno設置爲EINTR，表示「被信號中斷」。

④ pause收到的信號不能被屏蔽，若是被屏蔽，那麼pause就不能被喚醒。

由於alarm函數能夠在設定的時間以後發送SIGALRM信號，pause函數又能夠將進程掛起等待信號，則兩者結合能夠本身寫一個sleep函數，以下：

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}

時序競態前導例

在講時序競態具體現象以前，咱們先來看一個生活中常見的場景：

想午睡10分鐘，因而定了個10分鐘的鬧鐘，但願10分鐘後鬧鐘將本身叫醒。

正常狀況：定好鬧鐘，午睡，10分鐘後鬧鐘叫醒本身；

異常狀況：定好鬧鐘，躺下睡覺2分鐘，被同窗叫醒去打球，打了20分鐘後回來繼續睡覺。但在打球期間，鬧鐘早就響過了，將不會再喚醒本身。

這個例子與以後要講的時序競態有很大的類似之處。

時序競態問題分析

咱們再回過頭來看上面所寫的mysleep程序。這個函數有多是下面的時序：

1. SIGALRM默認動做是終止進程，所以咱們要將其捕捉，對SIGALRM註冊信號處理函數；

2. 調用alarm(1)函數定時1秒鐘；

3. alarm(1)調用結束，定時器開始計時。就在這時，進程失去CPU，進入就緒態等待CPU（至關於被同窗叫醒去打球）。失去CPU的方式有多是內核調度了優先級更高的進程取代了當前進程，使得當前進程沒法得到CPU；

4. 咱們知道，alarm函數若是採用天然定時法的話，定時器將一直計時，與進程狀態無關。因而，1秒後，鬧鐘定時時間到，內核向當前進程發送SIGALRM信號。高優先級進程還沒有執行完畢，當前進程仍然沒法得到CPU，繼續處於就緒態，信號沒法處理（處於未決狀態）；

5. 優先級高的進程執行完畢，當前進程得到CPU資源，內核調度回當前進程執行。SIGALRM信號遞達，並被進程處理；

6. 信號處理完畢後，返回當前主控流程，並調用pause()函數，掛起等待alarm函數發送的SIGALRM信號將本身喚醒；

7. 但實際SIGALRM信號已經處理完畢，pause()函數永遠不會等到。

解決時序競態問題

經過以上時序分析，咱們能夠看出，形成時序競態的緣由就是SIGALRM信號在進程失去CPU的時候就已經發送過來。爲了防止這個現象出現，咱們能夠先將該信號阻塞，將其「抓住」，再在解除阻塞的時候馬上調用pause函數掛起等待。這樣即便在調用alarm就失去CPU，也能夠在進程從新得到CPU時將抓到的SIGALRM信號從新「放出來」，並將以後的pause函數喚醒。

但在解除阻塞與pause等待掛起信號之間，仍是有可能失去CPU，除非將這兩個步驟作成一個「原子操做」。Linux系統提供的sigsuspend函數就具有這個功能。因此，在時序要求比較嚴格的場合下都應該使用sigsuspend函數，而非pause函數。

函數原型：

int sigsuspend(const sigset_t *mask);

函數做用：

掛起等待信號；

函數參數：

mask，傳入參數，sigsuspend函數調用期間，進程信號屏蔽字由參數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，也就是在調用sigsuspend函數時對該信號解除屏蔽，而後掛起等待信號。但咱們此時已經改變了進程的信號屏蔽字，因此調用完sigsuspend函數以後，應將進程的信號屏蔽字恢復原樣。

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.爲SIGALRM設置捕捉函數，一個空函數
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，到時後能夠產生SIGALRM信號
28    alarm(nsecs);
29
30    /*4.構造一個調用sigsuspend臨時有效的阻塞信號集，
31     *  在臨時阻塞信號集裏解除SIGALRM的阻塞*/
32    suspmask = oldmask;
33    sigdelset(&suspmask, SIGALRM);
34
35    /*5.sigsuspend調用期間，採用臨時阻塞信號集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sigsuspend被信號喚醒返回時，恢復原有的阻塞信號集*/
38    sigsuspend(&suspmask); 
39
40    unslept = alarm(0);
41    //6.恢復SIGALRM原有的處理動做，呼應前面註釋1
42    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);
43
44    //7.解除對SIGALRM的阻塞，呼應前面註釋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/不可重入函數

一個函數在被調用執行期間還沒有調用結束的時候，因爲某種時序，該函數又被重複調用，這種狀況稱爲「重入」。若是從信號處理程序返回，則繼續執行進程斷點處的正常指令序列，從從新恢復到斷點從新執行的過程當中，函數所依賴的環境沒有發生改變，就說這個函數是可重入的，反之就是不可重入的。

若是要將函數作成可重入函數，則函數內不能含有全局變量及static變量，也不能使用malloc、free。

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