Linux信号实现精确到微秒的sleep函数：通过sigsuspend函数解决时序竞态问题

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我是靠谱客的博主孝顺眼睛，这篇文章主要介绍Linux信号实现精确到微秒的sleep函数：通过sigsuspend函数解决时序竞态问题，现在分享给大家，希望可以做个参考。

原理就是先使用定时器定时，然后再使用pause函数或者sigsuspend函数主动阻塞挂起，最终恢复现场。

如果使用pause函数的话，优点是使用简单，缺点是有可能产生时序竞态，导致进程一直阻塞下去：在定时和挂起之间有一个缝隙，有可能定时后因为其他原因没有直接挂起，而是被动挂起或者处理其他信号，但这段时间时钟还在继续计时，当时间到了以后信号就被发送，等回来主动挂起的时候再也等不到那个信号了，因此进程就会被一直挂起。为了解决这个问题，我们在定时前先将SIGALRM信号屏蔽，然后定时、挂起，在挂起的同时我们解除对SIGALRM的屏蔽，这样就不用担心主动挂起前错过信号了，最后恢复现场。

可以根据代码理解一下，其实是一个很符合直觉的过程。需要注意的是pause和sigsuspend只有失败返回值-1，不过这个失败的意思是挂起失败，也就是恢复运行，从这个意义上来讲应该是成功返回值，因此我们不要对-1返回值做处理（我顺手处理了，然后一直出错检查了半天）。

代码如下：

Utils.h：里面是一些我封装的函数，为了简化代码

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// Created by edward on 2021/5/7.
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#ifndef LINUX_UTILS_H
#define LINUX_UTILS_H

#include <string>
#include <initializer_list>
#include <signal.h>

/*!
 * 检查系统调用返回值
 * @param x 返回值
 * @param msg 错误提示语句
 * @param y 错误状态，默认为-1
 */
void check_error(int x, const std::string &msg = "error", int y = -1);
/*!
 * 清零mask，并将il中的信号加入到mask中
 * @param mask
 * @param il
 */
void add2mask(sigset_t *mask, std::initializer_list<int> il);
/*!
 * 将il中的信号从mask中删除
 * @param mask
 * @param il
 */
void del2mask(sigset_t *mask, std::initializer_list<int> il);

#endif //LINUX_UTILS_H

mysleep函数：
2021.05.11更新：修复了传入参数为0或者负数的bug。如果传入参数都是0的话将导致进程进入阻塞状态无法被唤醒

复制代码

struct itimerval my_sleep(int seconds, int microseconds) {
	if (seconds <= 0 && microseconds <= 0)
	        return {0, 0};	
    //注册SIGALRM信号捕捉函数
    struct sigaction act, oldact;
    act.sa_handler = alrm_handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigset_t mask, oldmask,suspendmask;
    sigemptyset(&mask);     //屏蔽键盘信号
    add2mask(&mask, {SIGINT, SIGQUIT, SIGTSTP});
    act.sa_mask = mask;
    check_error(sigaction(SIGALRM, &act, &oldact), "sigaction error");

//屏蔽alarm信号
    add2mask(&mask, {SIGALRM});
    check_error(sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &oldmask), "sigprocmask error");

//设置定时器
    struct itimerval new_value, old_value;
    new_value.it_value = {seconds, microseconds};
    new_value.it_interval = {0, 0};
    check_error(setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, &old_value), "setitimer error");

//主动阻塞挂起等待被信号唤醒
    //pause();      //使用pause会产生竞态，导致信号失效，最终导致进程无限制挂起
    //通过首先将信号屏蔽防止信号失效，然后再使用sigpending函数在挂起期间解除对ALRM信号的屏蔽，使得进程最终能够被唤醒
    //在挂起时解除屏蔽alarm信号
    suspendmask = oldmask;
    del2mask(&suspendmask, {SIGALRM});
    sigsuspend(&suspendmask);

//恢复现场
    //恢复SIGALRM信号捕获函数
    check_error(sigaction(SIGALRM, &oldact, nullptr), "sigaction error");
    //重置定时器
    check_error(getitimer(ITIMER_REAL, &new_value));    //获取剩余定时时间
    old_value.it_interval = {0, 0};
    old_value.it_value = {0, 0};
    check_error(setitimer(ITIMER_REAL, &old_value, nullptr), "setitimer error");
    //解除对ALRM信号的屏蔽
    add2mask(&mask, {SIGALRM});
    check_error(sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, nullptr), "sigprocmask error");
    return new_value;   //返回剩余定时时间
}

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struct itimerval my_sleep(int seconds, int microseconds) {
	if (seconds <= 0 && microseconds <= 0)
	        return {0, 0};	
    //注册SIGALRM信号捕捉函数
    struct sigaction act, oldact;
    act.sa_handler = alrm_handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigset_t mask, oldmask,suspendmask;
    sigemptyset(&mask);     //屏蔽键盘信号
    add2mask(&mask, {SIGINT, SIGQUIT, SIGTSTP});
    act.sa_mask = mask;
    check_error(sigaction(SIGALRM, &act, &oldact), "sigaction error");

    //屏蔽alarm信号
    add2mask(&mask, {SIGALRM});
    check_error(sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &oldmask), "sigprocmask error");

    //设置定时器
    struct itimerval new_value, old_value;
    new_value.it_value = {seconds, microseconds};
    new_value.it_interval = {0, 0};
    check_error(setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, &old_value), "setitimer error");

    //主动阻塞挂起等待被信号唤醒
    //pause();      //使用pause会产生竞态，导致信号失效，最终导致进程无限制挂起
    //通过首先将信号屏蔽防止信号失效，然后再使用sigpending函数在挂起期间解除对ALRM信号的屏蔽，使得进程最终能够被唤醒
    //在挂起时解除屏蔽alarm信号
    suspendmask = oldmask;
    del2mask(&suspendmask, {SIGALRM});
    sigsuspend(&suspendmask);

    //恢复现场
    //恢复SIGALRM信号捕获函数
    check_error(sigaction(SIGALRM, &oldact, nullptr), "sigaction error");
    //重置定时器
    check_error(getitimer(ITIMER_REAL, &new_value));    //获取剩余定时时间
    old_value.it_interval = {0, 0};
    old_value.it_value = {0, 0};
    check_error(setitimer(ITIMER_REAL, &old_value, nullptr), "setitimer error");
    //解除对ALRM信号的屏蔽
    add2mask(&mask, {SIGALRM});
    check_error(sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, nullptr), "sigprocmask error");
    return new_value;   //返回剩余定时时间
}

Utils.cpp：工具类实现，非常简单

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// Created by edward on 2021/5/7.
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#include "utils.h"

using std::string;

void check_error(int x, const string &msg, int y) {
    if (x == y) {
        perror(msg.c_str());
        exit(1);
    }
}

void add2mask(sigset_t *mask, std::initializer_list<int> il) {
    check_error(sigemptyset(mask), "sigemptyset error");
    for (auto signum : il) {
        check_error(sigaddset(mask, signum), "sigaddset error");
    }
}

void del2mask(sigset_t *mask, std::initializer_list<int> il) {
    for (auto signum : il) {
        check_error(sigdelset(mask, signum), "sigdelset error");
    }
}