Linux下的mysleep

我们模拟实现一下sleep，称为mysleep，在实现之前先介绍三个函数alarm函数，sigaction函数，以及pause函数。

      首先我们来看alarm函数：

       #include <unistd.h>
       unsigned int alarm(unsigned int seconds);

       调用alarm函数可以设定一个闹钟,大家都知道，在现实生活中，闹钟的作用就是在你设定的时间后叫醒你，同理，也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。这个函数的返回值是0（意味着闹钟准时响了）或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数（可能由于某些原因，闹钟提前响了）。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡 一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。如果余下的秒数为0，就是说操作系统在senconds秒之后准时的给当前进程发送了SIGALRM信号。如果余下的秒数大于0，说明操作系统由于某些原因在没有到senconds秒的时候给当前进程发送了SIGALRM信号，而返回值就是离senconds秒还差多少秒。

      其次，我们来看一个信号捕捉函数：

      #include <signal.h>
      int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, structsigaction *oact);

      sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 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。

      

     将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,或者说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。

     接下来，解释一下结构体中的sa_mask是什么意思。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。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字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数,在这里不详细介绍这个字段了

     最后，我们来看一下，pause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。

      在熟悉了这三种函数之后，我们开始编写mysleep，思路很简单。main函数调用mysleep函数,后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数myheadler，调用alarm(nsecs)设定闹钟。调用pause等待,内核切换到别的进程运行

nsecs秒之后,内核发SIGALRM给这个进程。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。接下来看一下代码实现：

[cpp]  view plain  copy

1. #include<stdio.h>  
2. #include<signal.h>  
3. #include<unistd.h>  
4. void  myhandler(int sig)  
5. {}  
6.   
7.   
8. int mysleep(int timeout)  
9. {  
10.     struct sigaction act,oact;  
11.     act.sa_handler = myhandler;  
12.     sigemptyset(&act.sa_mask);  
13.     act.sa_flags = 0;  
14.     sigaction(SIGALRM,&act,NULL);  
15.   
16.     alarm(timeout);  
17.     pause();  
18.     int ret = alarm(0);  
19.     sigaction(SIGALRM,&oact,NULL);  
20.     return ret;  
21. }  
22.   
23.   
24. int main()  
25. {  
26.     while(1){
27. printf("using mysleep!\n");
28. mysleep(3);
29. } 
30.     return 0;  
31. }  

       但是很遗憾，这个程序存在很大的一个bug，我设想一下这样的时序，注册SIGALRM信号的处理函数，调用alarm(nsecs)设定闹钟，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 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。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。返回这个进程的主控制流程,alarm(nsecs)返回,调用pause()挂起等待。可是SIGALRM信号已经处理完了。那么这个进程就会一直挂起等待了。
       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。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)。

        我们想到的办法是，1.屏蔽SIGALRM信号，2.alarm(nsecs)，3.解除对SIGALRM信号的屏蔽，4.pause()，但是在3和4之间也有一段时间，不保证这段时间信号不会被递达。如果3和4是同时执行的，是一个原子操作，那么这个问题就会很好的解决。

         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。
         以下用sigsuspend重新实现mysleep函数:

[cpp]  view plain  copy

1. #include<stdio.h>  
2. #include<signal.h>  
3. #include<unistd.h>  
4. void handler(int sig)  
5. {}  
6.   
7.   
8. int mysleep(int timeout)  
9. {  
10.     struct sigaction act,oact;  
11.     sigset_t newmask,oldmask,suspmask;  
12.   
13.     act.sa_handler = handler;  
14.     sigemptyset(&act.sa_mask);  
15.     act.sa_flags = 0;  
16.     sigaction(SIGALRM,&act,&oact);  
17.   
18.     sigemptyset(&newmask);  
19.     sigaddset(&newmask,SIGALRM);  
20.     sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask,&oldmask);  
21.   
22.     alarm(timeout);  
23.   
24.     suspmask = oldmask;  
25.     sigdelset(&suspmask,SIGALRM);  
26.       
27.     sigsuspend(&suspmask);  
28.   
29.     int ret = alarm(0);  
30.     sigaction(SIGALRM,&oact,NULL);  
31.     sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);  
32.     return ret;  
33. }  
34.   
35. int main()  
36. {  
37.     while(1){
38. printf("using mysleep!\n");
39. mysleep(3);
40. }
41.     return 0;  
42. }