Linux mysleep 函數實現與競態條件分析 (alarm/pause/sigaction)

基於 alarm()、pause()、sigaction() 實現可重入的 mysleep()，並分析信號處理中可能出現的競態條件與優化方案。

核心介面

sigaction 結構體關鍵欄位

struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);           // 傳統處理函數
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void*); // 擴充處理函數 (SA_SIGINFO)
    sigset_t sa_mask;                  // 處理期間暫時阻塞的信號集
    int sa_flags;                      // SA_RESTART, SA_NODEFER, SA_RESETHAND 等
    void (*sa_restorer)(void);         // 已棄用
};

mysleep 參考實現

#include 
#include 

void myhandler(int sig) {}  // 空處理函數，僅為中斷 pause

int mysleep(int timeout) {
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = myhandler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &act, &oact);  // 註冊 SIGALRM 處理
    alarm(timeout);                    // 設定鬧鐘
    pause();                           // 等待信號
    int ret = alarm(0);                // 取消鬧鐘，獲取剩餘秒數
    sigaction(SIGALRM, &oact, NULL);   // 恢復原處理
    return ret;
}

int main() {
    while (1) {
        printf("mysleep start...\n");
        mysleep(3);
        printf("mysleep success\n");
    }
    return 0;
}

執行流程與競態條件分析

1. main 呼叫 mysleep → 註冊 SIGALRM 處理函數 myhandler (預設動作為終止進程，必須覆蓋)。
2. alarm(timeout) 設定核心定時器。
3. pause() 讓進程睡眠，核心切換至其他進程。
4. timeout 秒後，核心發送 SIGALRM 給進程。
5. 核心態返回用戶態前處理未決信號，發現 SIGALRM，執行 myhandler (信號自動屏蔽/解除屏蔽)。
6. myhandler 返回 → sigreturn 系統調用 → 回用戶態繼續 pause() 後指令 (alarm(0))。

潛在競態條件

• 若在 alarm() 後、pause() 前進程收到其他信號並執行處理函數，pause() 可能提前返回，導致睡眠時間不足。
• 多執行緒環境下，信號可能遞送至任一執行緒，pause() 僅阻塞呼叫執行緒，其他執行緒繼續運行。
• alarm() 與 setitimer() 共用實時定時器，相互覆蓋。

優化方案

• 使用 nanosleep() (POSIX.1b) 替代，無信號副作用、奈秒精度、可被信號中斷並返回剩餘時間結構體。
• 若必須用信號，設置 sa_flags = SA_RESTART 讓系統自動重啟被中斷的系統調用 (部分系統不支援 pause)。
• 關鍵區使用 sigprocmask() 封鎖 SIGALRM 避免競態。

教學用途理解信號機制足夠，生產環境請優先使用 nanosleep / clock_nanosleep / std::this_thread::sleep_for 等高階 API。