<Linux> 可重入函数 volatile关键字 以及SICHLD信号

目录

一、可重入函数

(一)引入

(二)可重入函数的判断

二、volatile关键字

(一)概念

(二)关于编译器的优化的简单讨论

三、SIGCHLD信号


一、可重入函数

(一)引入

我们来先看一个例子来帮助我们理解什么是可重入函数:

假设我们现在要对一个链表进行头插,在执行到第10行代码时,突然进程的时间片到了,进程被切换了,一会等进程再度切换回来时,当前进程要处理信号,而信号处理函数是sighandler,而sighandler里面也进行了头插,等进程从内核态返回到用户态时,继续执行第11行的代码,这时我们再观察链表的结构会发现链表中节点 node1 还未完成插入时,node2 也进行了头插,最终导致 节点 node2 丢失,造成 内存泄漏。

cpp 复制代码
node_t node1, node2, *head;
int main()
{
	...
	insert(&node1);
	...
}

void insert(node_t*p)
{
	p->next = head;
	head = p;
}

void sighandler(int signo)
{
	insert(&node2);
}

导致 内存泄漏 的罪魁祸首:对于 node1node2 来说,操作的 单链表 是同一个,同时进行并发访问(重入)会出现问题的 ,因为此时的单链表是 临界资源

由这个问题衍生出了一种函数分类的方式:

  • 如果一个函数同时被多个执行流进入所产生的结果没有问题 ,该函数被称为可重入函数。
  • 如果一个函数同时被多个执行流进入所产生的结果有问题 ,该函数被称为不可重入函数。
  • 可重入函数主要用于多任务环境中,一个可重入的函数通常来说就是可以被中断的函数,也就是说,可以在这个函数执行的任何时刻中断它,转入OS调度下去执行另外一段代码,而返回控制时不会出现什么错误;
  • 不可重入的函数由于使用了一些系统资源,比如全局变量区,中断向量表等,所以它如果被中断的话,可能会出现问题,这类函数是不能运行在多任务环境下的。

(二)可重入函数的判断

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

  1. 函数体内使用了静态(static)的数据结构或者变量;
  2. 调用了mallocfree,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
  3. 调用了标准I/O库函数 。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

二、volatile关键字

(一)概念

volatile是C语言的一个关键字,该关键字的作用是保证内存数据的可见性

比如在下面这个例子中

借助全局变量 falg 设计一个死循环的场景,在此之前将 2 号信号进行自定义动作捕捉,具体动作为:将 flag 改为 1,可以终止 main 函数中的循环体

cpp 复制代码
#include <stdio.h>
#include <signal.h>

int flag = 0;   // 一开始为假

void handler(int signo)
{
    printf("%d号信号已经成功发出了\n", signo);
    flag = 1;
}

int main()
{
    signal(2, handler);

    while(!flag);   // 故意不写 while 的代码块 { }

    printf("进程已退出\n");

    return 0;
}

初步结果符合预期,2 号信号发出后,循环结束,程序正常退出

这段代码能符合我们预期般的正确运行是因为 当前编译器默认的优化级别很低,没有出现意外情况。

通过指令查询 **gcc**优化级别的相关信息:

bash 复制代码
man gcc

其中数字越大,优化级别越高,理论上编译出来的程序性能会更好。

事实真的如此吗?

让我们重新编译上面的程序,并指定优化级别为 O1

bash 复制代码
gcc mySignal mySignal.c -O1

此时得到了不一样的结果:2 号信号发出后,对于 falg 变量的修改似乎失效了

将优化级别设为更高是一样的结果,如果设为 **O0**则会符合预期般的运行,说明我们当前的编译器默认的优化级别是 O0

查看编译器的版本:

bash 复制代码
gcc --version

那么我们这段代码哪个地方被优化了呢?

  • 答案是 while 循环判断

首先要明白:

  1. 对于程序中的数据,需要先被 loadCPU 中的 寄存器
  2. 判断语句所需要的数据(比如 flag),在进行判断时,是从 寄存器 中拿取并判断
  3. 根据判断的结果,判断代码的下一步该如何执行(通过 PC 指针指向具体的代码执行语句)

所以程序在优化级别为 **O0**或更低时,是这样执行的:

(二)关于编译器的优化的简单讨论

上面的代码如果我们不开启优化,就算不加上volatile关键字也是能正常运行的,可见编译器的优化不是越高越好。

如何理解编译器的优化?

编译器的本质是将代码翻译成01的二进制序列,所以编译器的优化是在你编写的代码上动手脚,也就是说编译器的优化其实改变了一些最终翻译成01二进制以后的执行逻辑。

三、SIGCHLD信号

进程控制 学习时期,我们明白了一个事实:父进程必须等待子进程退出并回收,并为其 "收尸",避免变成 "僵尸进程" 占用系统资源、造成内存泄漏。

那么 父进程是如何知道子进程退出了呢?

  • 在之前的场景中,父进程要么就是设置为 阻塞式专心等待 ,要么就是 设置为 WNOHANG 非阻塞式等待 ,这两种方法都需要 父进程 主动去检测 子进程 的状态。

如今学习了 进程信号 相关知识后,可以思考一下:子进程真的是安安静静的退出的吗?

  • 答案当然不是,子进程在退出后,会给父进程发送 SIGCHLD 信号。

可以通过 SIGCHLD 信号 通知 父进程,子进程 要退出了,这样可以解放 父进程 ,不必再去 主动检测 ,而是 子进程 要退出的时候才通知其来 "收尸":

SIGCHLD信号比较特殊,该信号的默认处理动作是忽略。

首先通过程序证明一下子进程会发出 **SIGCHLD**信号,通过自定义捕捉,打印相关信息:

cpp 复制代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int signo)
{
    printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo);
}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        int n = 5;
        while(n)
            printf("子进程剩余生存时间: %d秒 [pid: %d  ppid: %d]\n", n--, getpid(), getppid());
        
        // 子进程退出
        exit(-1);
    }

    waitpid(id, NULL, 0);
    return 0;
}

因此可以证明 SIGCHLD是被子进程真实发出的,当然,我们可以让父进程自定义捕捉动作为 回收子进程 ,让父进程不再主动检测子进程的状态,这样父进程只需专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程终止时会通知父进程,父进程在信号处理函数中调用waitwaitpid清理子进程即可:

cpp 复制代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t id;   // 将子进程的id设为全局变量,方便对比

void handler(int signo)
{
    printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo);

    // 这里的 -1 表示父进程等待时,只要是已经退出了的子进程,都可以进行回收
    pid_t ret = waitpid(-1, NULL, 0);
    if(ret > 0)
        printf("父进程: %d 已经成功回收了 %d 号进程,之前的子进程是 %d\n", getpid(), ret, id);
}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);

    id = fork();
    if(id == 0)
    {
        int n = 5;
        while(n)
        {
            printf("子进程剩余生存时间: %d秒 [pid: %d  ppid: %d]\n", n--, getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }

        // 子进程退出
        exit(-1);
    }

    // 父进程很忙的话,可以去做自己的事
    while(1)
    {
        // TODO
        printf("父进程正在忙...\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

父进程和子进程各忙各的,子进程退出后会发信号通知父进程,并且能做到正确回收:

那么这种方法就一定对吗?

  • 答案是不一定,在只有一个子进程的场景中,这个代码没问题,但如果是涉及多个子进程回收时,这个代码就有问题了

根本原因:SIGCHLD 也是一个信号啊,它可能也会在 block 表和 pending 表中被置为 1,当多个子进程同时向父进程发出信号时,父进程只能先回收最快发出信号的子进程,并将随后发出信号的子进程 SIGCHLD 信号保存在 blcok 表中,除此之外,其他的子进程信号就丢失了,父进程处理完这两个信号后,就认为没有信号需要处理了,这就造成了内存泄漏。

解决方案:自定义捕捉函数中,采取 while 循环式回收,有很多进程都需要回收没问题,排好队一个个来就好了,这样就可以确保多个子进程同时发出 SIGCHLD 信号时,可以做到一一回收。

细节:多个子进程运行时,可能有的退了,有的没退,这会导致退了的子进程发出信号后,触发自定义捕捉函数中的循环等待机制,回收完已经退出了的子进程后,会阻塞式的等待还没有退出的子进程,如果子进程一直不退,就会一直被阻塞,所以我们需要把进程回收设为 WNOHANG 非阻塞式等待。

cpp 复制代码
void handler(int signo)
{
    printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo);

    // 这里的 -1 表示父进程等待时,只要是已经退出了的子进程,都可以进行回收
    while (1)
    {
        pid_t ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
        if (ret > 0)
            printf("父进程: %d 已经成功回收了 %d 号进程\n", getpid(), ret);
        else
            break;
    }
    printf("子进程回收成功\n");
}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);

    // 创建10个子进程
    int n = 10;
    while (n--)
    {
        pid_t id = fork();

        if (id == 0)
        {
            int n = 5;
            while (n)
            {
                printf("子进程剩余生存时间: %d秒 [pid: %d  ppid: %d]\n", n--, getpid(), getppid());
                sleep(1);
            }

            // 子进程退出
            exit(-1);
        }
    }

    // 父进程很忙的话,可以去做自己的事
    while (1)
    {
        // TODO
        printf("父进程正在忙...\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

分为几批次地把所有子进程都成功回收了:

其实还有一种更加优雅的子进程回收方案:

由于 UNIX 历史原因,要想子进程不变成 僵尸进程 ,可以把 SIGCHLD的处理动作设为 SIG_IGN 忽略这里的忽略是个特例,只是父进程不对其进行处理 ,但只要设置之后,子进程在退出时,由 操作系统 对其负责,自动清理资源并进行回收,不会产生 僵尸进程。

也就是说,直接在父进程中使用**signal(SIGCHLD, SIG_IGN)**就可以优雅的解决 子进程回收问题,父进程既不用等待,也不需要对信号做出处理。

原理:在设置 SIGCHLD 信号的处理动作为忽略后,父进程的 PCB 中有关僵尸进程处理的标记位会被修改,子进程继承父进程的特性,子进程在退出时,操作系统检测到此标记位发生了改变,会直接把该子进程进行释放。

SIGCHLD的默认处理动作是忽略(什么都不做),而忽略动作是让操作系统帮忙回收,父进程不必关心

注意: 这种情况很特殊,只能保证在 Linux 系统中有效,其他类 UNIX 系统中可能没啥用。

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