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关于linux:Linux系统编程-时序竞态

jiezi

时序竞态

什么是时序竞态？将同一个程序执行两次，失常状况下，前后两次执行失去的后果应该是一样的。但因为系统资源竞争的起因，前后两次执行的后果有可能失去不一样的后果，这个景象就是 时序竞态。

pause 函数

函数原型：

int pause(void);

函数作用：

过程调用 pause 函数时，会造成过程被动挂起（处于阻塞状态，并被动放弃 CPU），并且期待信号将其唤醒。

返回值：

咱们晓得，信号的解决形式有三种：1. 默认动作；2. 疏忽解决；3. 捕获。过程收到一个信号后，会先解决响应信号，再唤醒 pause 函数。于是有上面几种状况：

① 如果信号的默认解决动作是终止过程，则过程将被终止，也就是说一收到信号过程就终止了，pause 函数基本就没有机会返回；

② 如果信号的默认解决动作是疏忽，则过程将间接疏忽该信号，相当于没收到这个信号，过程持续处于挂起状态，pause 函数不返回；

③ 如果信号的解决动作是捕获，则过程调用完信号处理函数之后，pause 返回 -1，errno 设置为 EINTR，示意“被信号中断”。

④ pause 收到的信号不能被屏蔽，如果被屏蔽，那么 pause 就不能被唤醒。

因为 alarm 函数能够在设定的工夫之后发送 SIGALRM 信号，pause 函数又能够将过程挂起期待信号，则二者联合能够本人写一个 sleep 函数，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}

时序竞态前导例

在讲时序竞态具体景象之前，咱们先来看一个生存中常见的场景：

想午睡 10 分钟，于是定了个 10 分钟的闹钟，心愿 10 分钟后闹钟将本人叫醒。

失常状况：定好闹钟，午睡，10 分钟后闹钟叫醒本人；

异常情况：定好闹钟，躺下睡觉 2 分钟，被同学叫醒去打球，打了 20 分钟后回来持续睡觉。但在打球期间，闹钟早就响过了，将不会再唤醒本人。

这个例子与之后要讲的时序竞态有很大的相似之处。

时序竞态问题剖析

咱们再回过头来看下面所写的 mysleep 程序。这个函数有可能是上面的时序：

  1. SIGALRM 默认动作是终止过程，因而咱们要将其捕获，对 SIGALRM 注册信号处理函数；
  2. 调用 alarm(1)函数定时 1 秒钟；
  3. alarm(1)调用完结，定时器开始计时。就在这时，过程失去 CPU，进入就绪态期待 CPU（相当于被同学叫醒去打球）。失去 CPU 的形式有可能是内核调度了优先级更高的过程取代了以后过程，使得以后过程无奈取得 CPU；
  4. 咱们晓得，alarm 函数如果采纳天然定时法的话，定时器将始终计时，与过程状态无关。于是，1 秒后，闹钟定时工夫到，内核向以后过程发送 SIGALRM 信号。高优先级过程尚未执行结束，以后过程依然无奈取得 CPU，持续处于就绪态，信号无奈解决（处于未决状态）；
  5. 优先级高的过程执行结束，以后过程取得 CPU 资源，内核调度回以后过程执行。SIGALRM 信号递达，并被过程解决；
  6. 信号处理结束后，返回以后主控流程，并调用 pause()函数，挂起期待 alarm 函数发送的 SIGALRM 信号将本人唤醒；
  7. 但理论 SIGALRM 信号曾经处理完毕，pause()函数永远不会等到。

解决时序竞态问题

通过以上时序剖析，咱们能够看出，造成时序竞态的起因就是 SIGALRM 信号在过程失去 CPU 的时候就曾经发送过去。为了避免这个景象呈现，咱们能够先将该信号阻塞，将其“抓住”，再在解除阻塞的时候立即调用 pause 函数挂起期待。这样即便在调用 alarm 就失去 CPU，也能够在过程从新取得 CPU 时将抓到的 SIGALRM 信号从新“放进去”，并将之后的 pause 函数唤醒。

但在解除阻塞与 pause 期待挂起信号之间，还是有可能失去 CPU，除非将这两个步骤做成一个“原子操作”。Linux 零碎提供的 sigsuspend 函数就具备这个性能。所以，在时序要求比拟严格的场合下都应该应用 sigsuspend 函数，而非 pause 函数。

函数原型：

int sigsuspend(const sigset_t *mask);

函数作用：

挂起期待信号；

函数参数：

mask，传入参数，sigsuspend 函数调用期间，过程信号屏蔽字由参数 mask 指定。

具体用法：可将某个信号（如 SIGALRM）从长期信号屏蔽字 mask 中删除，也就是在调用 sigsuspend 函数时对该信号解除屏蔽，而后挂起期待信号。但咱们此时曾经扭转了过程的信号屏蔽字，所以调用完 sigsuspend 函数之后，应将过程的信号屏蔽字复原原样。

 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. 为 SIGALRM 设置捕获函数，一个空函数
17    newact.sa_handler = sig_alrm;
18    sigemptyset(&newact.sa_mask);
19    newact.sa_flags = 0;
20    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);
21
22    //2. 设置阻塞信号集，阻塞 SIGALRM 信号
23    sigemptyset(&newmask);
24    sigaddset(&newmask, SIGALRM);
25   sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);   // 信号屏蔽字 mask
26
27    //3. 定时 n 秒，到时后能够产生 SIGALRM 信号
28    alarm(nsecs);
29
30    /*4. 结构一个调用 sigsuspend 长期无效的阻塞信号集，31     *  在长期阻塞信号集里解除 SIGALRM 的阻塞 */
32    suspmask = oldmask;
33    sigdelset(&suspmask, SIGALRM);
34
35    /*5.sigsuspend 调用期间，采纳长期阻塞信号集 suspmask 替换原有阻塞信号集
36     *  这个信号集中不蕴含 SIGALRM 信号, 同时挂起期待，37     *  当 sigsuspend 被信号唤醒返回时，复原原有的阻塞信号集 */
38    sigsuspend(&suspmask); 
39
40    unslept = alarm(0);
41    //6. 复原 SIGALRM 原有的解决动作，响应后面正文 1
42    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);
43
44    //7. 解除对 SIGALRM 的阻塞，响应后面正文 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}

可重入函数 / 不可重入函数

一个函数在被调用执行期间尚未调用完结的时候，因为某种时序，该函数又被反复调用，这种状况称为「重入」。如果从信号处理程序返回，则继续执行过程断点处的失常指令序列，从从新复原到断点从新执行的过程中，函数所依赖的环境没有产生扭转，就说这个函数是可重入的，反之就是不可重入的。

如果要将函数做成可重入函数，则函数内不能含有全局变量及 static 变量，也不能应用 malloc、free。

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