【Linux】自主实现my_sleep

首先说一下信号相关的内容。

********信号

       我们在运行程序时，经常会碰到报错，这是由于操作系统触发异常，于是系统抛出某一信号产生的。例如，一个死循环的程序，处理方式如下：

1）用户输入命令,在Shell下启动这个前台进程；

2）用户按下Ctrl-C,这个键盘输入产生一个硬件中断，该进程的用户空间代码暂停执行,CPU从用户态切换到内核态处理硬件中断；

3）终端驱动程序将Ctrl-C解释成一个SIGINT信号,记在该进程PCB中(也可以说发送了一 个SIGINT信号给该进程)；

4）当某个时刻要从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前,首先处理PCB中记录的信号,发现有一个SIGINT信号待处理,而这个信号的默认处理动作是终止进程,所以直接终止进程而不再返回它的用户空间代码执行。

注意：Ctrl-C、Ctrl-\、Ctrl-Z等产生的信号只能发给前台进程。

         一个命令后面加个&可以放到后台运行，这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。

每个信号都有一个编号和一个宏定义名称，这些宏定义可以在signal.h中找到。

我们可以用kill -l命令可以察看系统定义的信号列表：

编号前31为普通信号，编号34以上的是实时信号。这些信号各自在什么条件下产生，默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明:man 7 signal

********信号的产生方式

1、kill命令。例如：kill -SIGSEGV 4568 或kill -11 4568（kill命令是调用kill函数实现的）

2、键盘输入以下指令产生信号：

     ctrl+c（产生SIGINT信号）；

     ctrl+z（产生SIGTSTP信号：前台进程停止）；

     ctrl+/（产生SIGQUIT信号：终止进程并且 Core Dump（事后调试））。

3、软硬件异常。硬件异常产生信号,这些条件由硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。

      例如：alarm函数：调用该函数可以设定一个闹钟，内核在seconds秒之后（闹钟超时）产生SIGALRM信号,向读端已关闭的管道写数据时产生SIGPIPE信号。函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。

       #include  unsigned int alarm(unsignal int seconds); //seconds为0时，取消设定的闹钟，返回以前设定的闹钟时间还余下的秒数

            

4、kill，raise、abort等函数：

      kill：一个进程调用kill(2)函数可以发送信号给另一个进程；如果不明确指定信号则发送SIGTERM信号,该信号的默认处理动作是终止进程。

                 #include  int kill(pid_t pid, int sig); //成功返回0,错误返回-1。

     raise：该函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。

                 #include  int raise(int sigo); //成功返回0,错误返回-1。

      abort： abort函数使当前进程接收到SIGABRT信号而异常终止。

                #include  void abort(void); //像exit函数一样，该函数总会成功的，所以没有返回值。

********阻塞信号

      信号的处理动作，有三种方式：

       1）忽略此信号；

       2）默认/缺省（大多数默认处理动作是终止信号）；

       3）用户自定义（信号捕捉---提供一个信号处理函数,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数）

        实际信号的处理动作称为信号递达（Delivery）；信号从产生到递达之间的状态称为信号未决（Pending）；进程可以选择阻塞(Block )某个信号。被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作。信号的产生、未决和是否阻塞无关。

        注意：阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

        Linux中：常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前生多次可以依次放在一个队列里。这里不讨论实时信号。从上图来看,每个信号只有一 个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集, 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

信号集不能进行位操作，必须使用相关函数；信号集是0,1序列。信号集操作函数如下：

      #include 

      int sigemptyset(sigset_t *set);    // 初始化set所指的信号集，其中所有信号的对应bit清空，全部设为无效

      int sigfillset(sigset_t *set);         //初始化set，全部设为有效

      int sigaddset(sigset_t *set, int signo);  //信号集中添加某种有效信号

      int sigdelset(sigset_t *set, int signo);   //信号集中删除某种有效信号

      //这四个函数都是成功返回0,出错返回-1

      int sigismember(const sigset_t *set, int signo);    

      //判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号。包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

进行读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）：调用函数sigprocmask。

      #include 

      int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);   //修改block表，返回值：若成功则为0,若出错则为-1

      how：修改方式；oset：备份原来的信号屏蔽字；set： 更改进程的信号屏蔽字。

      如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。

进行读取进程的未决信号集：调用函数sigpending。

      #include 

      int sigpending(sigset_t *set); //成功返回0，出错返回-1

如下例子，进行2号信号的阻塞处理。

运行结果如下：

在输入ctrl+c（SIGINT）后，由于该信号被阻塞，一直处于未决状态，不被处理。while循环获得该信号未决，改变信号集。
按Ctrl-\仍然可以终止程序,因为SIGQUIT信号没有阻塞。

********捕捉信号

       进程在收到信号不是立即去处理，保存在自己的PCD中，在合适的时候处理。什么时候处理呢？当进程由于陷阱、异常等，陷入内核态，从内核态到用户态时，进行信号检查和处理。进程的4种情况：如果block，立即返回；如果pending，先递达，处理后返回；stop信号等，直接终止；忽略，直接返回。

如下图所示：

函数sigaction：读取和修改与指定信号相关联的处理动作

      #include 

      int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact)；  //成功返回0，失败返回-1

      signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:

-----sa_handler：赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号；赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号。 向内核注册了一个信号处理函数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。

-----sa_mask：进程的信号屏蔽字。如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。

-----sa_flags：sa_flags字段包含一些选项,本文代码把sa_flags设为0。

-----sa_sigaction是实时信号的处理函数。

       当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。

pause函数：使调用进程挂起直到有信号递达

         #include
         int pause(void);  // pause只有出错的返回值（exec也是），错误码EINTR表示“被信号中断”。

       pause函数使调用进程挂起直到有信号递达

-----如果信号的处理动作是终止进程，则进程终止，pause函数没有机会返回；

-----如果信号的处理动作是忽略，则进程继续处于挂起状态，pause不返回；

-----如果信号的处理动作是捕捉，则调用了信号处理函数之后pause返回-1，errno设置为EINTR。
下面用alarm和pause实现sleep(3)函数,my_sleep。

1、main函数调用my_sleep函数,后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数handler。

2、调用alarm(times)设定闹钟。

3、调用pause等待,内核切换到别的进程运行。

4、times秒之后,闹钟超时,内核发SIGALRM给这个进程。

5、从内核态返回这个进程的用户态之前处理未决信号,发现有SIGALRM信号,其处理函数是handler。

6、切换到用户态执行handler函数,进入handler函数时SIGALRM信号被自动屏蔽, 从handler函数返回时SIGALRM信号自动解除屏蔽。然后自动执行系统调用sigreturn再次进入内核,再返回用户态继续执行进程的主控制流程。

7. pause函数返回-1,然后调用alarm(0)取消闹钟,调用sigaction恢复SIGALRM信号以前的处理动作。

     函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称为重入。例如链表的插入，insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为不可重入函数,反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入Reentrant 函数。

运行结果如下：

运行后，发现可以成功实现3秒打印一句语句，但上述程序存在问题。

1.、注册SIGALRM信号的处理函数。

2、调用alarm(times)设定闹钟。

3、内核调度优先级更高的进程取代当前进程执行,并且优先级更高的进程有很多个,每个都要执行很长时间

4、times秒钟之后闹钟超时了,内核发送SIGALRM信号给这个进程,处于未决状态。

5、优先级更高的进程执行完了,内核要调度回这个进程执行。SIGALRM信号递达,执行处理函数sig_alrm之后再次进入内核

6、返回这个进程的主控制流程,alarm(times)返回,调用pause()挂起等待。

7、可是SIGALRM信号已经处理完了,还等待什么呢?

      出现这个问题的根本原因是系统运行的时序(Timing)并不像我们写程序时所设想的那样。虽然alarm(times)紧接着的下一行就是pause(),但是无法保证pause()一定会在调用alarm(times)之后的times秒之内被调用。由于异步事件在任何时候都有可能发生(这里的异步事件指出现更高优先级的进程),如果我们写程序时考虑不周密,就可能由于时序问题而导致错误,这叫做竞态条件 (Race Condition)。

sigsuspend包含了pause的挂起等待功能,同时解决了竞态条件的问题,在对时序要求严格的场合下都应该调用sigsuspend而不是pause。

      #include
      int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);
      和pause一样,sigsuspend没有成功返回值,只有执行了一个信号处理函数之后sigsuspend才返回,返回值为-1,errno设置为EINTR。调用sigsuspend时,进程的信号屏蔽字由sigmask参数指定,可以通过指定sigmask来临时解除对某个信号的屏蔽,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的,从sigsuspend返回后仍然是屏蔽的。

改后的my_sleep如下：

说明：
如果在调用my_sleep函数时SIGALRM信号没有屏蔽：
1、调用sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask, &oldmask)时，屏蔽SIGALRM。
2、调用sigsuspend(&suspmask)时，解除对SIGALRM的屏蔽，然后挂起等待。
3、SIGALRM递达后suspend返回，自动恢复原来的屏蔽字，也就是再次屏蔽SIGALRM。
4、调用sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL)时，再次解除对SIGALRM的屏蔽。