##時(shí)序競(jìng)態(tài)

什么是時(shí)序競(jìng)態(tài)?將同一個(gè)程序執(zhí)行兩次，正常情況下，前后兩次執(zhí)行得到的結(jié)果應(yīng)該是一樣的。但由于系統(tǒng)資源競(jìng)爭(zhēng)的原因，前后兩次執(zhí)行的結(jié)果有可能得到不一樣的結(jié)果，這個(gè)現(xiàn)象就是時(shí)序競(jìng)態(tài)。

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##pause函數(shù)

函數(shù)原型：

int pause(void); 

函數(shù)作用：

進(jìn)程調(diào)用pause函數(shù)時(shí)，會(huì)造成進(jìn)程主動(dòng)掛起(處于阻塞狀態(tài)，并主動(dòng)放棄CPU)，并且等待信號(hào)將其喚醒。

返回值：

我們知道，信號(hào)的處理方式有三種：1. 默認(rèn)動(dòng)作;2. 忽略處理;3. 捕捉。進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)后，會(huì)先處理響應(yīng)信號(hào)，再喚醒pause函數(shù)。于是有下面幾種情況：

• 如果信號(hào)的默認(rèn)處理動(dòng)作是終止進(jìn)程，則進(jìn)程將被終止，也就是說(shuō)一收到信號(hào)進(jìn)程就終止了，pause函數(shù)根本就沒(méi)有機(jī)會(huì)返回;
• 如果信號(hào)的默認(rèn)處理動(dòng)作是忽略，則進(jìn)程將直接忽略該信號(hào)，相當(dāng)于沒(méi)收到這個(gè)信號(hào)，進(jìn)程繼續(xù)處于掛起狀態(tài)，pause函數(shù)不返回;
• 如果信號(hào)的處理動(dòng)作是捕捉，則進(jìn)程調(diào)用完信號(hào)處理函數(shù)之后，pause返回-1，errno設(shè)置為EINTR，表示“被信號(hào)中斷”。
• pause收到的信號(hào)不能被屏蔽，如果被屏蔽，那么pause就不能被喚醒。

因?yàn)閍larm函數(shù)可以在設(shè)定的時(shí)間之后發(fā)送SIGALRM信號(hào)，pause函數(shù)又可以將進(jìn)程掛起等待信號(hào)，則二者結(jié)合可以自己寫一個(gè)sleep函數(shù)，如下：

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

##時(shí)序競(jìng)態(tài)前導(dǎo)例

在講時(shí)序競(jìng)態(tài)具體現(xiàn)象之前，我們先來(lái)看一個(gè)生活中常見的場(chǎng)景：

想午睡10分鐘，于是定了個(gè)10分鐘的鬧鐘，希望10分鐘后鬧鐘將自己叫醒。

正常情況：定好鬧鐘，午睡，10分鐘后鬧鐘叫醒自己;

異常情況：定好鬧鐘，躺下睡覺2分鐘，被同學(xué)叫醒去打球，打了20分鐘后回來(lái)繼續(xù)睡覺。但在打球期間，鬧鐘早就響過(guò)了，將不會(huì)再喚醒自己。

這個(gè)例子與之后要講的時(shí)序競(jìng)態(tài)有很大的相似之處。

##時(shí)序競(jìng)態(tài)問(wèn)題分析

我們?cè)倩剡^(guò)頭來(lái)看上面所寫的mysleep程序。這個(gè)函數(shù)有可能是下面的時(shí)序：

• SIGALRM默認(rèn)動(dòng)作是終止進(jìn)程，因此我們要將其捕捉，對(duì)SIGALRM注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù);
• 調(diào)用alarm(1)函數(shù)定時(shí)1秒鐘;
• alarm(1)調(diào)用結(jié)束，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。就在這時(shí)，進(jìn)程失去CPU，進(jìn)入就緒態(tài)等待CPU(相當(dāng)于被同學(xué)叫醒去打球)。失去CPU的方式有可能是內(nèi)核調(diào)度了優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程取代了當(dāng)前進(jìn)程，使得當(dāng)前進(jìn)程無(wú)法獲得CPU;
• 我們知道，alarm函數(shù)如果采用自然定時(shí)法的話，定時(shí)器將一直計(jì)時(shí)，與進(jìn)程狀態(tài)無(wú)關(guān)。于是，1秒后，鬧鐘定時(shí)時(shí)間到，內(nèi)核向當(dāng)前進(jìn)程發(fā)送SIGALRM信號(hào)。高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程尚未執(zhí)行完畢，當(dāng)前進(jìn)程仍然無(wú)法獲得CPU，繼續(xù)處于就緒態(tài)，信號(hào)無(wú)法處理(處于未決狀態(tài));
• 優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程執(zhí)行完畢，當(dāng)前進(jìn)程獲得CPU資源，內(nèi)核調(diào)度回當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行。SIGALRM信號(hào)遞達(dá)，并被進(jìn)程處理;
• 信號(hào)處理完畢后，返回當(dāng)前主控流程，并調(diào)用pause()函數(shù)，掛起等待alarm函數(shù)發(fā)送的SIGALRM信號(hào)將自己?jiǎn)拘?
• 但實(shí)際SIGALRM信號(hào)已經(jīng)處理完畢，pause()函數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)等到。

##解決時(shí)序競(jìng)態(tài)問(wèn)題

通過(guò)以上時(shí)序分析，我們可以看出，造成時(shí)序競(jìng)態(tài)的原因就是SIGALRM信號(hào)在進(jìn)程失去CPU的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)送過(guò)來(lái)。為了防止這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)，我們可以先將該信號(hào)阻塞，將其“抓住”，再在解除阻塞的時(shí)候立刻調(diào)用pause函數(shù)掛起等待。這樣即使在調(diào)用alarm就失去CPU，也可以在進(jìn)程重新獲得CPU時(shí)將抓到的SIGALRM信號(hào)重新“放出來(lái)”，并將之后的pause函數(shù)喚醒。

但在解除阻塞與pause等待掛起信號(hào)之間，還是有可能失去CPU，除非將這兩個(gè)步驟做成一個(gè)“原子操作”。Linux系統(tǒng)提供的sigsuspend函數(shù)就具備這個(gè)功能。所以，在時(shí)序要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合下都應(yīng)該使用sigsuspend函數(shù)，而非pause函數(shù)。

函數(shù)原型：

int sigsuspend(const sigset_t *mask); 

函數(shù)作用：掛起等待信號(hào);

函數(shù)參數(shù)：mask，傳入?yún)?shù)，sigsuspend函數(shù)調(diào)用期間，進(jìn)程信號(hào)屏蔽字由參數(shù)mask指定。

具體用法：可將某個(gè)信號(hào)(如SIGALRM)從臨時(shí)信號(hào)屏蔽字mask中刪除，也就是在調(diào)用sigsuspend函數(shù)時(shí)對(duì)該信號(hào)解除屏蔽，然后掛起等待信號(hào)。但我們此時(shí)已經(jīng)改變了進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字，所以調(diào)用完sigsuspend函數(shù)之后，應(yīng)將進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字恢復(fù)原樣。

 #include <unistd.h> 
 #include <signal.h> 
 #include <stdio.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; 
 
    //1.為SIGALRM設(shè)置捕捉函數(shù)，一個(gè)空函數(shù) 
    newact.sa_handler = sig_alrm; 
    sigemptyset(&newact.sa_mask); 
    newact.sa_flags = 0; 
    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact); 
 
    //2.設(shè)置阻塞信號(hào)集，阻塞SIGALRM信號(hào) 
    sigemptyset(&newmask); 
    sigaddset(&newmask, SIGALRM); 
   sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);   //信號(hào)屏蔽字 mask 
 
    //3.定時(shí)n秒，到時(shí)后可以產(chǎn)生SIGALRM信號(hào) 
    alarm(nsecs); 
 
    /*4.構(gòu)造一個(gè)調(diào)用sigsuspend臨時(shí)有效的阻塞信號(hào)集， 
     *  在臨時(shí)阻塞信號(hào)集里解除SIGALRM的阻塞*/ 
    suspmask = oldmask; 
    sigdelset(&suspmask, SIGALRM); 
 
    /*5.sigsuspend調(diào)用期間，采用臨時(shí)阻塞信號(hào)集suspmask替換原有阻塞信號(hào)集 
     *  這個(gè)信號(hào)集中不包含SIGALRM信號(hào),同時(shí)掛起等待， 
     *  當(dāng)sigsuspend被信號(hào)喚醒返回時(shí)，恢復(fù)原有的阻塞信號(hào)集*/ 
    sigsuspend(&suspmask);  
 
    unslept = alarm(0); 
    //6.恢復(fù)SIGALRM原有的處理動(dòng)作，呼應(yīng)前面注釋1 
    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL); 
 
    //7.解除對(duì)SIGALRM的阻塞，呼應(yīng)前面注釋2 
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL); 
 
    return(unslept); 
} 
 
int main(void) 
{ 
    while(1){ 
        mysleep(2); 
        printf("Two seconds passed\n"); 
    } 
 
    return 0; 
} 

##可重入函數(shù)/不可重入函數(shù)

一個(gè)函數(shù)在被調(diào)用執(zhí)行期間尚未調(diào)用結(jié)束的時(shí)候，由于某種時(shí)序，該函數(shù)又被重復(fù)調(diào)用，這種情況稱為「重入」。如果從信號(hào)處理程序返回，則繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)程斷點(diǎn)處的正常指令序列，從重新恢復(fù)到斷點(diǎn)重新執(zhí)行的過(guò)程中，函數(shù)所依賴的環(huán)境沒(méi)有發(fā)生改變，就說(shuō)這個(gè)函數(shù)是可重入的，反之就是不可重入的。

如果要將函數(shù)做成可重入函數(shù)，則函數(shù)內(nèi)不能含有全局變量及static變量，也不能使用malloc、free。

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)「良許Linux」。良許，世界500強(qiáng)外企Linux開發(fā)工程師，公眾號(hào)里分享大量Linux干貨，歡迎關(guān)注!