异步信号安全和线程安全


刺猬@

 

 

 

问题源自于apue中stevens老先生有关线程安全函数的介绍，stevens有曰：如果一个函数对于多线程来说是重入的，则说这个函数是线程安全的，但这并不能说明对信号处理程序来说也是重入的。也就是说信号安全重入函数要求要比线程安全更加严格。但是，我想知道为什么，为什么线程都可以重入了，而在信号却不行？

 

 

猜想:

诸如printf之类的标准库函数内部实现可能有个互斥锁，这个互斥锁是专门针对于IO缓冲区的，也就是说每个逻辑执行流要打印前(打印意味着要向缓冲区写入字符)都要获得锁，然后把要打印的内容输入缓冲区，最后释放互斥锁。

 

 

解释:

由于要在打印前获取互斥锁，所以在信号处理程序中调用printf可能要出现死锁：当前逻辑执行流调用printf，正好取得锁时，信号发生了，此时执行流不得不调用信号处理函数，正巧信号处理函数也要执行打印printf，同样要获取缓冲区控制锁，但是锁已经被自己先前lock了(这正是自己二次加锁死锁现象)，所以出现了死锁。同样这个也可以很好的解释为什么线程调用printf不会死锁，因为即使如果一个线程正加好锁发生线程切换，新来的线程要执行printf，但是发现缓冲区已锁，自己睡眠等待即可，不会出现死锁，到先前那个线程执行完打印后，自然会释放锁的。

 

 

证明:

我们的以上猜想核心就是基于标准缓冲区含有互斥锁，每次printf等函数操作缓冲区都要加锁，所以我们只需要证明这个锁存在就行了。大家直接可以去看标准库代码，但是我写一段程序可以近似地来佐证这个想法。

 

 

多线程情况：这里我们开辟一个线程，然后主线程和副线程都同时用printf向屏幕打印一个字符串，然后我们可以查看，如果字符串是每次都完整打印，那说明很可能是因为有锁保证每次打印完整，不会因为线程调度而出现字符串中断情况。

void *thread_main(void *arg)
{
	sleep(5);
	for ( ; ; )
	{
		printf("BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB");
	}
	return NULL;
}
int thread_new(void* (*fn)(void *), void *arg)
{
	pthread_t			tid;
	pthread_attr_t		attr;
	pthread_attr_init(&attr);
	if (pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED) != 0)
	{
		pthread_attr_destroy(&attr);
		return (-1);
	}
	if (pthread_create(&tid, &attr, fn, arg) != 0)
	{
		pthread_attr_destroy(&attr);
		return (-1);
	}
	pthread_attr_destroy(&attr);
	return (0);
}
int main()
{
	thread_new(thread_main, NULL);
	sleep(5);
	for ( ; ; )
	{
		printf("AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA");
	}
	*/
	return (0);
}

 

信号情况：这里设置一个每隔10毫秒就打印一次的信号处理函数，大家可以运行看，运行久点，最后必然会出现死锁，也就是屏幕不再打印字符了，同时我们可以观察下每次死锁都发生在主函数打印时，因为此时信号切换发生死锁。

void gotsig(int n)
{
    printf("BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB");
}
void sig_safe(void)
{
	struct itimerval value;
    struct sigaction sact;
    sigemptyset( &sact.sa_mask );
    sact.sa_flags = 0;
    sact.sa_handler = gotsig;
    sigaction(SIGALRM,&sact,NULL);
    value.it_interval.tv_sec = 0;
    value.it_interval.tv_usec = 10;
    value.it_value.tv_sec = 0;
    value.it_value.tv_usec = 1000;
    setitimer(ITIMER_REAL, &value,NULL);
	setbuf(stdout, NULL);
    while(1) {
        printf("AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA");
    }
}