Linux下实现sleep_linux sleep 底层实现

sleep:

一、 普通版本

1、基本设计思路：

1. 注册SIGALRM信号的处理函数；
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。

2、实现代码

#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;
}
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相关函数分析：

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

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

int sigemptyset(sigset_t *set)；
1

函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表⽰该信号集不包含 任何有效信号。

二、优化版本

所需函数分析

#include <signal.h>

int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);
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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,sigsuspend返回后仍然是屏蔽的。
$sigsuspend函数与pause函数：都可以将程序挂起，但是sigsuspend函数可以实现对信号屏蔽字的解除与挂起。$

sigprocmask
调⽤函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
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如果oset是⾮空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是⾮空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指⽰如何更改。如果oset和set都是⾮空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset⾥,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。

how的选项意义

如果调⽤sigprocmask解除了对当前若⼲个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,⾄少将其中⼀个信号递达。

代码实现：

#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;
}
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优化版本解决了普通版本存在的竞态问题。我们重新审视一下普通版本的时序问题。
1、设置SIGALRM信号的处理函数；

2、调用alarm()函数设置闹钟；

3、内核选取更高优先级的进程来取代当前进程，并且这样的进程很多，同时执行时间又很长；

4、闹钟超时了，内核发送SIGALRM信号给该进程，并且处于未决状态；

5、优先级更高的进程结束后，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、可是现在SIGALRM信号已经被处理，进程会导致错误。

在一个进程运行过程中，因为由于异步，所以可能被其他优先级更高的进程，由于时序问题而引发的错误问题。这样的问题称为竞态问题。
优化版本中，先将设置SIGALRM信号的处理函数，然后将SIGALRM信号进行屏蔽，然后调用alarm()函数设置闹钟，然后调用sigprocmask()函数对SIGALRM信号解除屏蔽然后挂起等待，这样就解决了竞态问题。