Linux系统编程 —并行性竞态

Z时代
2024-01-10
分类：技术分享

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。

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：

① 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；

② 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；

③ 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”。

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：

 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。

 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设置捕捉函数，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，到时后可以产生SIGALRM信号
28    alarm(nsecs);
29
30    /*4.构造一个调用sigsuspend临时有效的阻塞信号集，
31     *  在临时阻塞信号集里解除SIGALRM的阻塞*/
32    suspmask = oldmask;
33    sigdelset(&suspmask, SIGALRM);
34
35    /*5.sigsuspend调用期间，采用临时阻塞信号集suspmask替换原有阻塞信号集
36     *  这个信号集中不包含SIGALRM信号,同时挂起等待，
37     *  当sigsuspend被信号唤醒返回时，恢复原有的阻塞信号集*/
38    sigsuspend(&suspmask);
39
40    unslept = alarm(0);
41    //6.恢复SIGALRM原有的处理动作，呼应前面注释1
42    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);
43
44    //7.解除对SIGALRM的阻塞，呼应前面注释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}