时序竟态条件分析 sigsuspend函数 Linu系统编程

简单的自定义sleep函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
#include<errno.h>
void cat_sig(int sig)
{
    ;
}
unsigned int mysleep(unsigned int seconds)
{
    int ret;
    struct sigaction act,oldact;
    act.sa_handler=cat_sig;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags=0;

    ret=sigaction(SIGALRM,&act,&oldact);//注册捕捉信号，防止进程退出
    if(ret==-1)
    {
        perror("sigaction error!");
        exit(1);
    }
    alarm(seconds);
    ret=pause();  //主动挂起，等待信号
    if(ret==-1&&errno==EINTR)
    {
        printf("pause success!\n");
    }
    ret=alarm(0);//闹钟清零
    sigaction(SIGALRM,&oldact,NULL);//恢复SIGALRM原有的处理方式。
    return ret;
}


int main()
{
    while(1)
    {
        mysleep(3);
        printf("----------\n");
    }
    return 0;
}

时序竟态产生原因
以上程序中如果在pause（）之前alarm计数没满的时候失去了CPU资源，当CPU资源重新回到这个进程上时，3秒已经过去了，SIGALRM信号已经处于递达态，CPU肯定会优先处理该信号的，这个信号处理之后，再来执行pause函数（注意，此时信号已经从未决状态释放，处于递达状态），pause之后进程等待信号唤醒，可是现在信号都没有，它就不会醒了。
对于这个小的测试程序来说出现这种状况的情况可以说是微乎其微，但如果是Linux服务器的一个核心程序，虽然这种概率比较小，但是服务器那是跑起来就不停的，在上千万次的运行中，出现这样的事也不奇怪，这个程序一停，损失就非常大了。
现在使用sigsuspend函数来解决这个问题
原型：int sigsuspend(const sigset_t *mask); ：挂起等待信号。sigsuspend函数调用期间，进程信号屏蔽字由其参数mask指定。

可将某个信号（如SIGALRM）从临时信号屏蔽字mask中删除，这样在调用sigsuspend时将解除对该信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值。如果原来该信号是屏蔽态，sigsuspend函数返回后仍然屏蔽该信号。

改进版的自定义mysleep函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>


void catch_sig(int sig)
{
    ;//空函数
}
unsigned int mysleep(unsigned int sec)
{
    struct sigaction act,oldact;
    sigset_t newmask,oldmask,suspmask;
    unsigned int unslept;
    //1.为SIGALRM设置捕捉函数，一个空函数
    act.sa_handler=catch_sig;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags=0;
    sigaction(SIGALRM,&act,&oldact);

    //2.设置阻塞信号集，阻塞SIGALRM信号
    sigemptyset(&newmask);
    sigaddset(&newmask,SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask,&oldmask);

    //3.定时
    alarm(sec);
    
    //4.构造一个调用sigsuspend临时有效的阻塞信号集
    //在临时阻塞信号集里解除SIGALRM的阻塞
    suspmask=oldmask;               //把原有的信号集赋值给临时集
    sigdelset(&suspmask,SIGALRM);   //确保解除SIGALRM的阻塞，原有信号集可能已经设置了阻塞

    /*5.sigsuspend调用期间，采用临时阻塞集suspmask替换原有阻塞集
     *  这个信号集中不包含SIGALRM
     *  当sigsuspend被信号唤醒返回时，恢复原有的阻塞信号集*/
    sigsuspend(&suspmask);   //解除信号屏蔽和挂起等待信号合并为一个“原子操作”
    /*如果此函数之前进程失去cpu，计时已满足（自然计时），SIGALRM被屏蔽处于未决状态
     *执行此函数后，解除屏蔽，SIGALRM递达，执行捕捉函数同时进程被唤醒*/

     unslept=alarm(0);     //返回剩余时间
     //6.恢复SIGALRM原有的处理动作，mysleep作为第三方接口，在返回时应该还原相应状态
     sigaction(SIGALRM,&oldact,NULL);

     //7.解除对SIGALRM的阻塞,还原阻塞集
    sigprocmask(SIGALRM,&oldmask,NULL);

    return unslept;
}

int main()
{
    while(1)
    {
        mysleep(3);
        printf("------timeout--------\n");
    }
}

总结

时序问题分析

回顾，借助pause和alarm实现的mysleep函数。设想如下时序：

注册SIGALRM信号处理函数 （sigaction…)

调用alarm(3) 函数设定闹钟3秒。

函数调用刚结束，开始倒计时3秒。当前进程失去cpu，内核调度优先级高的进程(有多个)取代当前进程。当前进程无法获得cpu，进入就绪态等待cpu。

3秒后，闹钟超时，内核向当前进程发送SIGALRM信号(自然定时法，与进程状态无关)，高优先级进程尚未执行完，当前进程仍处于就绪态，信号无法处理(未决)

优先级高的进程执行完，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，信号设置捕捉，执行处理函数。

信号处理函数执行结束，返回当前进程主控流程，pause()被调用挂起等待。（欲等待alarm函数发送的SIGALRM信号将自己唤醒）

SIGALRM信号已经处理完毕，pause不会等到。

解决时序问题

可以通过设置屏蔽SIGALRM的方法来控制程序执行逻辑，但无论如何设置，程序都有可能在"解除信号屏蔽"与"挂起等待信号"这个两个操作间隙失去cpu资源。除非将这两步骤合并成一个"原子操作"。sigsuspend函数具备这个功能。在对时序要求严格的场合下都应该使用sigsuspend替换pause。

int sigsuspend(const sigset_t *mask); 挂起等待信号。

sigsuspend函数调用期间，进程信号屏蔽字由其参数mask指定。

可将某个信号（如SIGALRM）从临时信号屏蔽字mask中删除，这样在调用sigsuspend时将解除对该信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值。如果原来对该信号是屏蔽态，sigsuspend函数返回后仍然屏蔽该信号

总结

竞态条件，跟系统负载有很紧密的关系，体现出信号的不可靠性。系统负载越严重，信号不可靠性越强。

不可靠由其实现原理所致。信号是通过软件方式实现(跟内核调度高度依赖，延时性强)，每次系统调用结束后，或中断处理处理结束后，需通过扫描PCB中的未决信号集，来判断是否应处理某个信号。当系统负载过重时，会出现时序混乱。

这种意外情况只能在编写程序过程中，提早预见，主动规避，而无法通过gdb程序调试等其他手段弥补。且由于该错误不具规律性，后期捕捉和重现十分困难。