顺义网站建设推广优化seo,北京市建设工程质量监督站网站,网站编程零基础入门,wordpress搭建it博客文章目录 0.远程拷贝1.重入函数与volatile关键字2.认识SIGCHILD信号3.普通信号/实时信号 0.远程拷贝
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1.重入函数与volatile关键字 先看… 文章目录 0.远程拷贝1.重入函数与volatile关键字2.认识SIGCHILD信号3.普通信号/实时信号 0.远程拷贝
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1.重入函数与volatile关键字 先看一个现象 main函数调用insert函数向一个链表中插入节点node1插入操作分为两步刚做完第一步时因为某种原因如硬件中断使进程切换到内核态从内核态返回用户态之前检查到有信号待处理于是切换到用户态执行sighandler函数sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2插入操作的两步都做完之后从用户态返回内核态此时信号处理完毕从内核态返回用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行先前做第一步之后被打断现在继续做完第二步。⇒ main函数和sighandler先后 向链表中插入两个节点而最后只有一个节点真正插入链表中了。而node2的地址无法得知 ⇒ 内存泄漏 insert函数被不同的执行流调用有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数 ⇒ 函数的重入。insert函数访问一个全局链表有可能因为重入而造成错乱像这样的函数称为不可重入函数。反之如果一个函数在被重入执行的过程中不会出现任何错误则别称为可重入函数。 什么样的函数为不可重入函数 不可重入函数是指在函数执行过程中会使用全局变量或静态变量的函数。这些函数没有保护它们的共享资源因此在多个线程或中断同时调用时可能会产生不可预测的结果。它们不能运行在多任务环境下除非能保证互斥。
具体来说满足以下任一条件的函数多数为不可重入函数
函数体内使用了静态的数据结构。 函数体内调用了malloc()或free()函数。 函数体内调用了标准I/O函数因为标准I/O库很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。 函数体内访问了全局变量。 函数进行了浮点运算在许多的处理器/编译器中浮点一般都是不可重入的。 另外一些常见的函数如printf()由于内部包含了semTake操作而在中断服务程序中不能有阻塞操作因此也被视为不可重入函数。
请注意不可重入函数在实时系统设计中被视为不安全函数因为它们在多线程或中断环境下的行为可能会导致数据错误或不可预料的后果。因此在编写多线程或中断驱动的代码时应尽量避免使用不可重入函数或采取适当的互斥措施来保护共享资源。 可重入函数怎么编写 编写可重入函数也称为可重入代码或线程安全函数是确保在多线程环境下函数能够安全地被并发调用而不产生数据竞争或不可预测行为的关键。以下是一些编写可重入函数的基本指导原则
避免使用全局变量和静态变量 全局变量和静态变量在多线程环境中是共享的因此如果不加以保护就可能导致数据竞争。尽量避免在函数内部使用它们。 如果必须使用全局或静态变量确保使用互斥锁如互斥量、信号量或读写锁来保护对这些变量的访问。 使用局部变量 局部变量是线程私有的因此不会引起数据竞争。尽可能地使用局部变量来存储函数执行过程中的中间结果。 不要调用不可重入的函数 确保你的函数不调用任何不可重入的函数例如标准库中的某些I/O函数或其他可能使用全局状态的函数。 避免使用某些库函数 一些库函数尤其是那些涉及I/O操作或静态内存分配的函数可能不是线程安全的。查阅相关文档以确定哪些函数是线程安全的并避免使用那些不是线程安全的函数。 使用线程局部存储Thread-Local Storage, TLS 如果确实需要某种形式的持久性状态并且这个状态需要在多个函数调用之间保持可以考虑使用线程局部存储。这样每个线程都会拥有自己独立的变量副本从而避免了数据竞争。 使用原子操作 对于简单的、不涉及复杂数据结构或大量计算的共享变量访问可以使用原子操作来确保操作的原子性。原子操作通常提供对单个变量或内存位置的不可分割的访问。 确保函数的可重入性经过测试 编写单元测试和多线程测试来验证函数的可重入性。确保在不同线程中同时调用该函数时不会产生错误的结果或行为。 下面是一个简单的可重入函数示例它使用局部变量来避免数据竞争
c
#include stdio.h
#include stdlib.h // 假设这是一个线程安全的锁函数
void lock(void); // 假设这是一个线程安全的解锁函数
void unlock(void); // 可重入函数示例
int safe_increment(int *counter) { int local_copy; lock(); // 获取锁以保护对counter的访问 local_copy *counter; local_copy; *counter local_copy; unlock(); // 释放锁 return local_copy;
}在这个示例中safe_increment 函数使用了一个局部变量 local_copy 来存储 counter 的当前值对其进行递增操作然后再将结果写回 counter。在访问 counter 的过程中使用了 lock 和 unlock 函数来保护对它的访问确保同一时间只有一个线程能够修改 counter 的值。
请注意上述示例中的 lock 和 unlock 函数需要是线程安全的并且在实际应用中可能需要使用具体的同步原语如互斥量来实现。此外具体的同步机制的选择和实现将取决于你所使用的编程语言和线程库。 可重入函数和不可重入函数的优缺点 可重入函数和不可重入函数在多任务环境中各有其优缺点。他们是是函数的一种特征目前我们用的90%函数都是不可重入的。
可重入函数的优点主要体现在
灵活性可重入函数通过在函数内部调用自身可以提高程序实现的灵活性实现多种重叠功能如大量的并发任务处理、fork/join模式或服务器/客户端系统。 稳定性可重入函数使得程序更加稳定因为它可以用于错误控制。当发生错误时可以直接把调用过程重复执行实现异常情况的处理。 代码重用性可重入函数能够大大减少函数的代码量使代码更加紧凑更易于理解和维护提高了代码的可重用性。 运行效率在一些特定情况下如逐步累加的操作中可重入函数的使用可以提高编译器的优化效果从而提高程序的运行效率。 然而不可重入函数在某些情况下也有其使用的价值但它们的缺点也很明显
安全性问题不可重入函数由于使用了未受保护的系统资源如全局变量区或中断向量表因此在多任务环境下可能会引发数据竞争和不可预测的行为这被视为不安全函数。 限制使用场景不可重入函数不能运行在多任务环境中除非能保证互斥这限制了它们的使用范围。 综上所述可重入函数和不可重入函数各有其适用场景和优缺点。在选择使用哪种函数时需要根据具体的程序需求、运行环境以及资源使用情况进行综合考虑。 优化/不优化的代码运行结果 编译器有时候会自动的给我们进行代码优化一些程序员写Makefile的时候会添加选项让编译时进行优化 不加优化选项 -fpermissive是为了类型抓换不让报错我们就想这么操作这个选项在本文无用这个makefile是上篇文章讲信号时用的 加优化选项 优化后程序变大了 对flag进行volatile修饰后 volatile ⇒ 保持内存的可见性告知编译器被该关键字修饰的变量不允许被优化对该变量 的任何操作都必须在真实的内存中进行操作 对上述场景的认识和解读 编译器在编译过程中监测到变量flag在主控制流main的整个执行过程中都未发生变化【主观臆断】所以将其优化为寄存器变量。导致while语句的每次条件判断都是直接取寄存器中的值而遮盖了flag在内存中的数据。即使进程收到2号信号后中断处理将flag在内存中的数值改为1但寄存器数据被初始化为0且不发生改变所以程序仍然保持循环不会退出。 ⇒ 因为优化使得cpu在执行while时为了更快从寄存器读flag的值而没有从内存的实时最新值导致了错误。 “优化”的这个动作是发生在什么时候的 发生在编译的时候。cpu只管执行和运算不会进行代码的优化他也没有这个能力。 volatile关键字的简述 volatile关键字在编程中特别是Java编程中起着非常重要的作用。volatile是Java虚拟机提供的一种轻量级的同步机制它主要具有以下三个作用
保证可见性volatile关键字确保所有线程都能看到某个变量的最新值。当一个线程修改了一个被volatile修饰的共享变量时其他线程能立即感知到这个修改从而确保所有线程对这个变量的访问都是一致的。这有助于避免多线程环境下的数据竞争问题。 保证有序性volatile关键字还能保证代码的执行顺序。对于volatile修饰的变量volatile之前的代码不能调整到它的后面volatile之后的代码也不能调整到它的前面。这有助于防止编译器优化时可能导致的指令重排问题。 禁止指令重排volatile关键字可以禁止编译器对内存操作的指令进行重排优化确保指令按照程序员期望的顺序执行。 需要注意的是虽然volatile关键字提供了上述的同步机制但它并不能保证原子性。也就是说volatile并不能保证复合操作的原子性例如自增操作i等。因此在需要保证原子性的场景中还需要使用其他的同步机制如synchronized关键字或Lock接口的实现类。
总的来说volatile关键字是Java多线程编程中一个非常重要的工具它可以帮助开发者在多线程环境下正确地处理共享变量的访问和修改确保程序的正确性和稳定性。 C/CPP下volatile关键字的简述 在C和C编程语言中volatile关键字用于告知编译器某个变量可能会被程序无法控制的因素如操作系统、硬件或其他并发执行的线程改变。使用volatile关键字可以防止编译器对这些变量进行某些优化从而确保每次从变量中读取值时都直接从内存中读取而不是从可能被编译器优化的缓存中读取。
具体来说volatile关键字的主要作用包括
防止编译器优化编译器在优化代码时可能会将变量的值存储在寄存器中以便更快地访问。然而如果变量在程序执行期间可能被其他因素改变那么从寄存器中读取的值可能就不再是最新的。使用volatile关键字可以阻止编译器进行这种优化确保每次访问变量时都从内存中读取最新的值。
保证可见性在多线程环境中一个线程对volatile变量的修改对其他线程是可见的。这有助于避免由于线程间通信延迟或缓存不一致而导致的数据竞争问题。
不保证原子性虽然volatile关键字可以确保变量的可见性但它并不保证对变量的操作是原子的。也就是说对于涉及多个步骤的复合操作如自增或自减即使使用了volatile关键字也可能在多线程环境下出现竞态条件。在这种情况下还需要使用其他的同步机制如互斥锁或原子操作来确保操作的原子性。
在C语言中volatile是一个关键字用于声明一个变量是“易变的”volatile。
当一个变量被声明为volatile时编译器会确保对该变量的读写操作不会被优化、保持内存可见性。这是因为volatile变量的值可能会被意外地改变例如由于硬件操作、中断处理程序或者其他线程的影响。
使用volatile关键字的主要场景包括
并行处理当多个线程或者进程共享一个变量时如果这个变量可能会被其他线程或者进程改变那么应该将这个变量声明为volatile以确保每次读取时都是从内存中读取而不是使用缓存值。
中断处理在中断处理程序中通常需要访问硬件寄存器或者其他外部设备。由于这些设备的状态可能会在任何时候发生变化因此必须将相关的变量声明为volatile以确保每次访问都是从内存中读取最新的值。
优化禁用有些变量的值可能会被外部因素改变但是编译器无法检测到这种改变因此可能会对这些变量进行优化。通过将这些变量声明为volatile可以告诉编译器不要对这些变量进行优化。
需要注意的是过度使用volatile关键字可能导致性能下降因为编译器无法对某些操作进行优化。因此在使用volatile关键字时应该谨慎确保只在确实需要的情况下使用它。
总之volatile关键字在C和C编程中用于处理可能被程序无法控制的因素改变的变量确保从变量中读取的值始终是最新的并在多线程环境中提供可见性保证。然而它并不保证操作的原子性因此在需要确保原子性的情况下还需要使用其他同步机制。
2.认识SIGCHILD信号 回顾什么是僵尸进程 僵尸进程Zombie Process是在Unix/Linux系统中已经终止运行但其父进程尚未对其进行善后处理获取终止状态以及资源清理的进程。这些进程不占用除进程表外的任何系统资源但仍然会在进程表中占据一个位置。由于进程表有大小限制因此如果系统中的僵尸进程过多就可能导致无法创建新的进程。
僵尸进程的形成原因通常是因为父进程在fork子进程后子进程先于父进程退出而父进程没有对子进程进行wait或waitpid操作导致子进程的进程描述符仍然留在系统中。
为了避免僵尸进程的问题有几种解决方案
父进程使用wait()或waitpid()系统调用来获取子进程的结束状态并释放其占用的资源。 使用信号机制让父进程在接收到子进程结束的信号时调用wait()或waitpid()来处理子进程。 如果父进程不关心子进程的结束状态可以将其设置为忽略SIGCHLD信号这样当子进程结束时内核会自动回收其资源不会产生僵尸进程。 需要注意的是僵尸进程本身并不危害系统安全它们只是占用了进程表的位置。但是如果系统中的僵尸进程数量过多可能会影响到系统的性能和新进程的创建。因此在编写涉及多进程的程序时应妥善处理子进程的结束状态避免产生过多的僵尸进程。 进程等待交互进程信号 进程一章讲过用wait和waitpid函数清理僵尸进程父进程可以阻塞等待子进程结束也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。采用第一种方式父进程阻塞了就不能处理自己的工作了采用第二种方式父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一 下程序不是最优。 其实子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号该信号的默认处理动作是忽略父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数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wait清理子进程即可。 事实上由于UNIX 的历史原因要想不产生僵尸进程还有另外一种办法父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉不会产生僵尸进程也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的但这是一个特例。此方法对于Linux可用但不保证在其它UNIX系统上都可用。 认识SIGCHILD信号 SIGCHLD(17)信号是在一个子进程终止或停止时由操作系统发送给其父进程的信号。它是一个通知父进程子进程状态改变的信号。父进程可以通过捕捉SIGCHLD信号并使用相应的信号处理函数来处理子进程的状态改变。 SIGCHLD信号的处理方式 忽略信号默认处理【OS级别】SIGCHLD信号的默认处理方法就是忽略(ign)。但是如果父进程不主动去等待子进程子进程会变为僵尸进程一直等待父进程获取其退出状态。忽略信号手动设置【用户级别】通过signal或sigaction函数手动的选择忽略SIGCHLD信号(SIG_IGN)这样系统会直接回收子进程资源释放僵尸进程。不再需要父进程等待子进程了。通常用于父进程不关心子进程退出状态的情况。捕捉信号父进程通过注册一个SIGCHLD信号处理函数来捕捉SIGCHLD信号。当子进程终止或停止时操作系统会调用该信号处理函数。阻塞信号父进程可以选择在某些时候阻塞SIGCHLD信号以延迟对子进程状态改变的处理。这可以通过调用sigprocmask函数设置信号屏蔽字来实现。 测试1忽略信号默认处理 忽略信号默认处理SIGCHLD信号的默认处理方法就是忽略(ign)。但是如果父进程不主动去等待子进程子进程会变为僵尸进程一直等待父进程获取其退出状态。
#include iostream
#include unistd.h
#include signal.h
#include cassert
using namespace std;int main()
{pid_t id fork();assert(id ! -1);if (id 0){cout 子进程[ getpid() ] 正在运行 endl;sleep(1);cout 子进程[ getpid() ] 退出 endl;exit(0);}while (true){cout 父进程[ getpid() ] 正在运行 endl;sleep(1);}return 0;
}测试2忽略信号手动设置 忽略信号手动设置通过signal或sigaction函数手动的选择忽略SIGCHLD信号(SIG_IGN)这样系统会直接回收子进程资源释放僵尸进程。不再需要父进程等待子进程了。通常用于父进程不关心子进程退出状态的情况。
#include iostream
#include unistd.h
#include signal.h
#include cassert
#include sys/types.h
#include sys/wait.h
using namespace std;
int main()
{signal(SIGCHLD, SIG_IGN);pid_t id fork();assert(id ! -1);if (id 0){cout 子进程[ getpid() ] 正在运行 endl;sleep(1);cout 子进程[ getpid() ] 退出 endl;exit(0);}while (true){cout 父进程[ getpid() ] 正在运行 endl;sleep(1);}return 0;
}测试3捕捉信号 父进程通过注册一个SIGCHLD信号处理函数来捕捉SIGCHLD信号。当子进程终止或停止时操作系统会调用该信号处理函数。当父进程收到SIGCHLD(17)信号时只是知道某些子进程的状态发生了改变不能确定 特别注意如果同一时间有多个子进程退出由于SIGCHILD的比特位只有一个他最多只能记录一个信号的存无。所以父进程收到了SIGCHILD他并不知道有几个子进程退出所以如果在信号处理函数中不信号等待那么同时退出的其他几个子进程就无法获取他们的退出状态导致僵尸进程的出现。 有多少个子进程退出⇒ while循环等待多个进程退出直到获取完所有退出进程的退出状态。 哪个子进程退出了⇒ waitpid的第一个参数传-1表示等待任意一个子进程退出。 子进程到底是终止还是暂停 ⇒ waitpid的第三个参数传WNOHANG采用非阻塞等待否则如果没有子进程退出父进程将阻塞等待
#include iostream
#include unistd.h
#include signal.h
#include cassert
#include sys/types.h
#include sys/wait.h
using namespace std;
void handler(int signum)
{cout 进程[ getpid() ] 捕获了一个信号( signum ) endl;pid_t child_pid 0;while ((child_pid waitpid(-1, nullptr, WNOHANG)) 0){cout father: 子进程[ child_pid ] 退出 endl;}
}int main()
{signal(SIGCHLD, handler);pid_t id fork();assert(id ! -1);if (id 0){cout 子进程[ getpid() ] 正在运行 endl;sleep(1);cout 子进程[ getpid() ] 退出 endl;exit(0);}while (true){cout 父进程[ getpid() ] 正在运行 endl;sleep(1);}return 0;
}3.普通信号/实时信号
Linux进程间通信中的信号是一种软件中断机制用于处理异步通信和响应突发事件。在Linux中信号分为普通信号也称为常规信号或标准信号和实时信号两大类。以下是它们之间的异同点
相同点
命名和编号普通信号和实时信号都遵循以SIG开头的命名规则并且在头文件signal.h中定义为正整数常量信号编号。 处理机制进程可以通过三种方式来响应信号忽略信号、捕捉信号和执行缺省操作。无论是普通信号还是实时信号进程对信号的处理方式都取决于传递给相应API函数的参数。 不同点
信号范围与用途普通信号的信号范围相对较小主要用于系统级操作如SIGKILL用于强制终止进程SIGSTOP用于暂停进程等。而实时信号的信号范围有所扩大可应用于程序自定义的目的提供了更多的灵活性。 投递方式普通信号的投递顺序是未定义的且信号不排队可能会丢失。而实时信号采取的是队列化管理如果某一个信号多次发送给一个进程那么该进程会多次收到这个信号保证了信号的完整性和顺序性。 伴随数据发送实时信号时可以为信号指定伴随数据供接收进程的信号处理器使用。虽然现代Linux系统也允许为标准信号指定伴随数据但这一特性在实时信号中更为常见和强调。 优先级对于实时信号不同的信号传递顺序是有保障的通常信号的编号越小优先级越高。而普通信号的传递顺序则是未定义的取决于具体的实现。 综上所述普通信号和实时信号在Linux进程间通信中各有其特点和用途。普通信号主要用于系统级操作而实时信号则提供了更大的灵活性和可靠性特别适用于需要处理大量异步事件和保证信号顺序的场景。 为什么在linux下man 7 signal显示的信号类型中有些信号的数字表示有多个 Signal Value Action Comment──────────────────────────────────────────────────────────────────────SIGHUP 1 Term Hangup detected on controlling terminalor death of controlling processSIGINT 2 Term Interrupt from keyboardSIGQUIT 3 Core Quit from keyboardSIGILL 4 Core Illegal InstructionSIGABRT 6 Core Abort signal from abort(3)SIGFPE 8 Core Floating point exceptionSIGKILL 9 Term Kill signalSIGSEGV 11 Core Invalid memory referenceSIGPIPE 13 Term Broken pipe: write to pipe with noreadersSIGALRM 14 Term Timer signal from alarm(2)SIGTERM 15 Term Termination signalSIGUSR1 30,10,16 Term User-defined signal 1SIGUSR2 31,12,17 Term User-defined signal 2SIGCHLD 20,17,18 Ign Child stopped or terminatedSIGCONT 19,18,25 Cont Continue if stoppedSIGSTOP 17,19,23 Stop Stop processSIGTSTP 18,20,24 Stop Stop typed at terminalSIGTTIN 21,21,26 Stop Terminal input for background processSIGTTOU 22,22,27 Stop Terminal output for background processThe signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored.在Linux下当你使用man 7 signal命令查看信号时可能会发现某些信号的数字表示有多个。这通常是因为不同的系统或架构可能为某些信号分配了不同的数字。尽管大部分信号的数字表示在Unix和类Unix系统包括Linux中是一致的但仍然存在一些差异。
以下是一些可能导致信号数字表示有多个的原因
架构差异不同的硬件架构如x86、ARM、MIPS等可能会为某些信号分配不同的数字。这是因为不同的架构可能有不同的中断机制和处理方式因此需要为信号分配不同的数字以适应这些差异。 历史原因Unix和类Unix系统的发展历史悠久不同的版本和分支可能在不同的时间点引入了新的信号或修改了现有信号的数字表示。因此在某些系统中某些信号可能具有不同的数字表示。 兼容性考虑为了确保与旧版本的应用程序或系统的兼容性某些系统可能保留了旧的信号数字表示。这样即使在新版本的系统中引入了新的信号或修改了信号的数字表示旧的应用程序仍然能够正常工作。 当你看到man 7 signal中某些信号有多个数字表示时通常意味着这些数字表示对应于不同的系统或架构。在实际编程中为了编写可移植的代码最好使用信号的宏名称如SIGINT、SIGTERM等而不是直接使用数字表示。这样可以确保代码在不同的系统和架构上都能正确工作。
需要注意的是尽管某些信号可能有多个数字表示但它们的语义和功能通常是相同的。因此在理解和使用这些信号时你应该关注它们的名称和描述而不是仅仅关注它们的数字表示。
