linux系统编程之信号（六）：竞态条件与sigsuspend函数

一、利用pause和alarm函数实现sleep函数

#include <unistd.h>

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

alarm函数可以参考这里。

下面使用pause和alarm实现sleep(3)函数，称为mysleep：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

#include<stdio.h> #include<signal.h> #include<unistd.h> void sig_alrm( int signo) {      /* nothing to do */ } unsigned  int mysleep( unsigned  int nsecs) {      struct sigaction newact, oldact;      unsigned  int unslept;     newact.sa_handler = sig_alrm;     sigemptyset(&newact.sa_mask);     newact.sa_flags =  0;     sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);     alarm(nsecs);     pause();     unslept = alarm( 0);     sigaction(SIGALRM, &oldact,  NULL);      return unslept; } int main( void) {      while ( 1)     {         mysleep( 2);         printf( "Two seconds passed\n");     }      return  0; }

1. main函数调用mysleep函数，后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数sig_alrm。
2. 调用alarm(nsecs)设定闹钟。
3. 调用pause等待，内核切换到别的进程运行。
4. nsecs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sig_alrm。
6. 切换到用户态执行sig_alrm函数，进入sig_alrm函数时SIGALRM信号被自动屏蔽，从sig_alrm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（main函数调用的mysleep函数）。
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。

需要注意的是虽然sig_alrm函数什么都没干，但还是得注册作为SIGALRM的处理函数，因为SIGALRM信号的默认处理是终止进程，这也是在mysleep函数返回时要恢复SIGALRM信号原来的sigaction的原因。此外，mysleep函数的返回值表示“未睡到”的时间，即unslept，当尚未计时到nsecs而pause函数先被其他信号处理函数所中断返回，在外界看来就是在sleep期间被其他信号处理函数中断了，则mysleep返回非0值，即unslept。如sleep(3)的man 手册写的返回值：

RETURN VALUE： Zero if the requested time has elapsed, or the number of seconds left to sleep, if the call was interrupted  by  a signal handler.

当然如果是被SIGALRM handler所中断，则表示睡眠时间到，mysleep返回值为0。

二、竞态条件与sigsuspend函数

现在重新审视上面的mysleep函数，设想这样的时序：

1. 注册SIGALRM信号的处理函数。
2. 调用alarm(nsecs)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. nsecs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(nsecs)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(nsecs)紧接着的下一行就是pause()，但是无法保证pause()一定会在调用alarm(nsecs)之后的nsecs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）。

如何解决上述问题呢？我们可能会想到，在调用pause之前屏蔽SIGALRM信号使它不能提前递达就可以了。看看以下方法可行吗？
1. 屏蔽SIGALRM信号;
2. alarm(nsecs);
3. 解除对SIGALRM信号的屏蔽;
4. pause();

从解除信号屏蔽到调用pause之间存在间隙，SIGALRM仍有可能在这个间隙递达。要消除这个间隙，我们把解除屏蔽移到pause后面可以吗？
1. 屏蔽SIGALRM信号;
2. alarm(nsecs);
3. pause();
4. 解除对SIGALRM信号的屏蔽;

这样更不行了，还没有解除屏蔽就调用pause，pause根本不可能等到SIGALRM信号。要是“解除信号屏蔽”和“挂起等待信号”这两步能合并成一个原子操作就好了，这正是sigsuspend函数的功能。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 <signal.h>

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。

“If a signal is caught and if the signal handler returns, then sigsuspend returns and the signal mask of the process is set to its value before the call to sigsuspend.”

以下用sigsuspend重新实现mysleep函数：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58

/*************************************************************************     > File Name: mysleep.c     > Author: Simba     > Mail: [email protected]     > Created Time: 2012年12月16日 星期日 21时30分42秒  ************************************************************************/ #include<stdio.h> #include<signal.h> #include<unistd.h> void sig_alrm( int signo) {      /* nothing to do */ } unsigned  int mysleep( unsigned  int nsecs) {      struct sigaction newact, oldact;     sigset_t newmask, oldmask, suspmask;      unsigned  int unslept;      /* set our handler, save previous information */     newact.sa_handler = sig_alrm;     sigemptyset(&newact.sa_mask);     newact.sa_flags =  0;     sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);      /* block SIGALRM and save current signal mask */     sigemptyset(&newmask);     sigaddset(&newmask, SIGALRM);     sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);     alarm(nsecs);     suspmask = oldmask;     sigdelset(&suspmask, SIGALRM);  /* make sure SIGALRM isn't block */     sigsuspend(&suspmask);  /* wait for any signal to be caught */      /* some signal has been caught. SIGALRM is now blocked */     unslept = alarm( 0);     sigaction(SIGALRM, &oldact,  NULL);  /* reset previous action */      /* reset signal mask, which unblocks SIGALRM */     sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask,  NULL);      return(unslept); } int main( void) {      while ( 1)     {         mysleep( 2);         printf( "Two seconds passed\n");     }      return  0; }

如果在调用mysleep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。

程序参考：《linux c 编程一站式学习》