Linux系统编程—时序竞态

什么是时序竞态?将同一个程序执行两次，正常情况下，前后两次执行得到的结果应该是一样的。但由于系统资源竞争的原因，前后两次执行的结果有可能得到不一样的结果，这个现象就是时序竞态。

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##pause函数

函数原型：

int pause(void); 

函数作用：

进程调用pause函数时，会造成进程主动挂起(处于阻塞状态，并主动放弃CPU)，并且等待信号将其唤醒。

返回值：

我们知道，信号的处理方式有三种：1. 默认动作;2. 忽略处理;3. 捕捉。进程收到一个信号后，会先处理响应信号，再唤醒pause函数。于是有下面几种情况：

• 如果信号的默认处理动作是终止进程，则进程将被终止，也就是说一收到信号进程就终止了，pause函数根本就没有机会返回;
• 如果信号的默认处理动作是忽略，则进程将直接忽略该信号，相当于没收到这个信号，进程继续处于挂起状态，pause函数不返回;
• 如果信号的处理动作是捕捉，则进程调用完信号处理函数之后，pause返回-1，errno设置为EINTR，表示“被信号中断”。
• 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函数可以在设定的时间之后发送SIGALRM信号，pause函数又可以将进程挂起等待信号，则二者结合可以自己写一个sleep函数，如下：

 #include <unistd.h> 
 #include <signal.h> 
 #include <stdio.h> 
  
 void sig_alrm(int signo) 
 { 
      
 } 
  
unsigned int mysleep(unsigned int nsecs) 
{ 
    unsigned int unslept; 
 
    signal(SIGALRM, &sig_alrm); 
    unslept = alarm(nsecs);  
    pause(); 
 
    return unslept; 
} 
 
 
int main(void) 
{ 
    while(1){ 
        mysleep(2); 
        printf("Two seconds passed\n"); 
    } 
 
    return 0; 
} 

##时序竞态前导例

在讲时序竞态具体现象之前，我们先来看一个生活中常见的场景：

想午睡10分钟，于是定了个10分钟的闹钟，希望10分钟后闹钟将自己叫醒。

正常情况：定好闹钟，午睡，10分钟后闹钟叫醒自己;

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分钟后回来继续睡觉。但在打球期间，闹钟早就响过了，将不会再唤醒自己。

这个例子与之后要讲的时序竞态有很大的相似之处。

##时序竞态问题分析

我们再回过头来看上面所写的mysleep程序。这个函数有可能是下面的时序：

• SIGALRM默认动作是终止进程，因此我们要将其捕捉，对SIGALRM注册信号处理函数;
• 调用alarm(1)函数定时1秒钟;
• alarm(1)调用结束，定时器开始计时。就在这时，进程失去CPU，进入就绪态等待CPU(相当于被同学叫醒去打球)。失去CPU的方式有可能是内核调度了优先级更高的进程取代了当前进程，使得当前进程无法获得CPU;
• 我们知道，alarm函数如果采用自然定时法的话，定时器将一直计时，与进程状态无关。于是，1秒后，闹钟定时时间到，内核向当前进程发送SIGALRM信号。高优先级进程尚未执行完毕，当前进程仍然无法获得CPU，继续处于就绪态，信号无法处理(处于未决状态);
• 优先级高的进程执行完毕，当前进程获得CPU资源，内核调度回当前进程执行。SIGALRM信号递达，并被进程处理;
• 信号处理完毕后，返回当前主控流程，并调用pause()函数，挂起等待alarm函数发送的SIGALRM信号将自己唤醒;
• 但实际SIGALRM信号已经处理完毕，pause()函数永远不会等到。

##解决时序竞态问题

通过以上时序分析，我们可以看出，造成时序竞态的原因就是SIGALRM信号在进程失去CPU的时候就已经发送过来。为了防止这个现象出现，我们可以先将该信号阻塞，将其“抓住”，再在解除阻塞的时候立刻调用pause函数挂起等待。这样即使在调用alarm就失去CPU，也可以在进程重新获得CPU时将抓到的SIGALRM信号重新“放出来”，并将之后的pause函数唤醒。

但在解除阻塞与pause等待挂起信号之间，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系统提供的sigsuspend函数就具备这个功能。所以，在时序要求比较严格的场合下都应该使用sigsuspend函数，而非pause函数。

函数原型：

int sigsuspend(const sigset_t *mask); 

函数作用：挂起等待信号;

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

具体用法：可将某个信号(如SIGALRM)从临时信号屏蔽字mask中删除，也就是在调用sigsuspend函数时对该信号解除屏蔽，然后挂起等待信号。但我们此时已经改变了进程的信号屏蔽字，所以调用完sigsuspend函数之后，应将进程的信号屏蔽字恢复原样。

 #include <unistd.h> 
 #include <signal.h> 
 #include <stdio.h> 
  
 void sig_alrm(int signo) 
 { 
      
 } 
  
unsigned int mysleep(unsigned int nsecs) 
{ 
    struct sigaction newact, oldact; 
    sigset_t newmask, oldmask, suspmask; 
    unsigned int unslept; 
 
    //1.为SIGALRM设置捕捉函数，一个空函数 
    newact.sa_handler = sig_alrm; 
    sigemptyset(&newact.sa_mask); 
    newact.sa_flags = 0; 
    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact); 
 
    //2.设置阻塞信号集，阻塞SIGALRM信号 
    sigemptyset(&newmask); 
    sigaddset(&newmask, SIGALRM); 
   sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);   //信号屏蔽字 mask 
 
    //3.定时n秒，到时后可以产生SIGALRM信号 
    alarm(nsecs); 
 
     
    suspmask = oldmask; 
    sigdelset(&suspmask, SIGALRM); 
 
     
    sigsuspend(&suspmask);  
 
    unslept = alarm(0); 
    //6.恢复SIGALRM原有的处理动作，呼应前面注释1 
    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL); 
 
    //7.解除对SIGALRM的阻塞，呼应前面注释2 
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL); 
 
    return(unslept); 
} 
 
int main(void) 
{ 
    while(1){ 
        mysleep(2); 
        printf("Two seconds passed\n"); 
    } 
 
    return 0; 
} 

##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结束的时候，由于某种时序，该函数又被重复调用，这种情况称为「重入」。如果从信号处理程序返回，则继续执行进程断点处的正常指令序列，从重新恢复到断点重新执行的过程中，函数所依赖的环境没有发生改变，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，也不能使用malloc、free。

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