Linux下實現sleep

sleep:

一、 普通版本

1、基本設計思路：

1. 註冊SIGALRM信號的處理函數；
2. 調用alarm(nsecs)設定鬧鐘；
3. 調⽤pause等待,內核切換到別的進程運行；
4. nsecs秒之後,鬧鐘超時,內核發SIGALRM給這個進程 ;
5. 從內核態返回這個進程的⽤戶態之前處理未決信號,發現有SIGALRM信號,其處理函數是sig_alrm;
6. 切換到用戶態執行sig_alrm函數,進⼊sig_alrm函數時SIGALRM信號被⾃動屏蔽,從sig_alrm函數返回SIGALRM信 號⾃動解除屏蔽。然後⾃動執⾏系統調用sigreturn再次進入內核,再返回用戶態繼續執行進程的主控制流程(main函數調⽤的mysleep函數)；
7. pause函數返回-1,然後調⽤alarm(0)取消鬧鐘,調⽤sigaction恢復SIGALRM信號以前的處理動作。

2、實現代碼

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
 
void handler(int signo)
{}
 
int mysleep(int timeout)
{
	struct sigaction act,oact;
	act.sa_handler = handler;
	act.sa_flags = 0;
	sigemptyset(&act.sa_mask);
 
	sigaction(SIGALRM,&act,&oact);
	alarm(timeout);
	pause();
	int ret = alarm(0);
	sigaction(SIGALRM,&oact,NULL);
	return ret;
}
 
int main()
{
	while(1)
	{
		printf("using musleep!\n");
		mysleep(3);
	}
	return 0;
}

相關函數分析：

#include <unistd.h>
int pause(void);

pause函數使調⽤進程掛起直到有信號遞達。如果信號的處理動作是終⽌進程,則進程終⽌,pause函數沒有機會返回;如果信號的處理動作是忽略,則進程繼續處於掛起狀態,pause不返回;如果信號的處理動作是捕捉,則調⽤了信號處理函數之後pause返回-1,errno設置爲EINTR,所以pause只有出錯的返回值 。

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

sigaction函數可以讀取和修改與指定信號相關聯的處理動作。調⽤成功則返回0,出錯則返回- 1。signo是指定信號的編號。若act指針⾮空,則根據act修改該信號的處理動作。若oact指針非 空,則通過oact傳出該信號原來的處理動作。

int sigemptyset(sigset_t *set)；

函數sigemptyset初始化set所指向的信號集,使其中所有信號的對應bit清零,表⽰該信號集不包含 任何有效信號。

二、優化版本

所需函數分析

#include <signal.h>

int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

sigsuspend沒有成功返回值,只有執⾏了⼀個信號處理函數之後sigsuspend才返回,返回值爲-1,errno設置爲EINTR。調⽤sigsuspend時,進程的信號屏蔽字由sigmask參數指定,可以通過指定sigmask來臨時解除對某 個信號的屏蔽,然後掛起等待,當sigsuspend返回時,進程的信號屏蔽字恢復爲原來的值,如果原來對該信號是屏蔽的,sigsuspend返回後仍然是屏蔽的。
$\color{red}{sigsuspend函數與pause函數：都可以將程序掛起，但是sigsuspend函數可以實現對信號屏蔽字的解除與掛起。}$

sigprocmask
調⽤函數sigprocmask可以讀取或更改進程的信號屏蔽字(阻塞信號集)。

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);

如果oset是⾮空指針,則讀取進程的當前信號屏蔽字通過oset參數傳出。如果set是⾮空指針,則 更改進程的信號屏蔽字,參數how指⽰如何更改。如果oset和set都是⾮空指針,則先將原來的信號 屏蔽字備份到oset⾥,然後根據set和how參數更改信號屏蔽字。

how的選項意義

如果調⽤sigprocmask解除了對當前若⼲個未決信號的阻塞,則在sigprocmask返回前,⾄少將其中⼀個信號遞達。

代碼實現：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
 
void handler(int signo)
{}
 
int mysleep(int timout)
{
	struct sigaction act,oact;
	sigset_t newmask,oldmask,suspmask;
	act.sa_handler = handler;
	act.sa_flags = 0;
	sigemptyset(&act.sa_mask);
 
	sigaction(SIGALRM,&act,&oact);
	sigemptyset(&newmask);
	sigaddset(&newmask,SIGALRM);
	sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask,&oldmask);
 
	alarm(timout);
 
	suspmask = oldmask;
	sigdelset(&suspmask,SIGALRM);
	sigsuspend(&suspmask);
	
	int unslept = alarm(0);
	sigaction(SIGALRM,&oact,NULL);
	sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);
	return(unslept);
}
int main()
{
	while(1)
	{
		printf("using musleep!\n");
		mysleep(3);
	}
	return 0;
}

優化版本解決了普通版本存在的競態問題。我們重新審視一下普通版本的時序問題。
1、設置SIGALRM信號的處理函數；

2、調用alarm()函數設置鬧鐘；

3、內核選取更高優先級的進程來取代當前進程，並且這樣的進程很多，同時執行時間又很長；

4、鬧鐘超時了，內核發送SIGALRM信號給該進程，並且處於未決狀態；

5、優先級更高的進程結束後，內核要調度回這個進程執⾏。SIGALRM信號遞達,執⾏處理函 數sig_alrm之後再次進⼊內核。

6、返回這個進程的主控制流程,alarm(nsecs)返回,調⽤pause()掛起等待。

7、可是現在SIGALRM信號已經被處理，進程會導致錯誤。

在一個進程運行過程中，因爲由於異步，所以可能被其他優先級更高的進程，由於時序問題而引發的錯誤問題。這樣的問題稱爲競態問題。
優化版本中，先將設置SIGALRM信號的處理函數，然後將SIGALRM信號進行屏蔽，然後調用alarm()函數設置鬧鐘，然後調用sigprocmask()函數對SIGALRM信號解除屏蔽然後掛起等待，這樣就解決了競態問題。