修改系统时间，导致sem_timedwait 一直阻塞的问题解决和分析

介绍

最近修复项目问题时，发现当系统时间往前修改后，会导致sem_timedwait函数一直阻塞。通过搜索了发现int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);传入的第二个阻塞时间参数是绝对的时间戳，那么该函数是存在缺陷的。

sem_timedwait存在的缺陷的理由：

假设当前系统时间是1565000000（2019-08-05 18:13:20），sem_timedwait传入的阻塞等待的时间戳是1565000100（2019-08-05 18:15:00），那么sem_timedwait就需要阻塞1分40秒（100秒），若在sem_timedwait阻塞过程中，中途将系统时间往前修改成1500000000（2017-07-14 10:40:00），那么sem_timedwait此时就会阻塞2年多！ 这就是sem_timedwait存在的缺陷！！

sem_timedwait函数介绍

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

• 如果信号量大于0，则对信号量进行递减操作并立马返回正常
• 如果信号量小于0，则阻塞等待，当阻塞超时时返回失败(errno 设置为 ETIMEDOUT)

第二个参数abs_timeout 参数指向一个指定绝对超时时刻的结构，这个结果由自 Epoch，1970-01-01 00:00:00 +0000(UTC) 秒数和纳秒数构成。这个结构定义如下

struct timespec {
    time_t tv_sec;        /* 秒 */
    long   tv_nsec;       /* 纳秒 */
};

解决方法

可以通过sem_trywait + usleep的方式来实现与sem_timedwait函数的类似功能，并且不会发生因系统时间往前改而出现一直阻塞的问题。

sem_trywait函数介绍

函数 sem_trywait()和sem_wait()有一点不同，即如果信号量的当前值为0，则返回错误而不是阻塞调用。错误值errno设置为EAGAIN。sem_trywait()其实是sem_wait()的非阻塞版本。

int sem_trywait(sem_t *sem)

执行成功返回0，执行失败返回 -1且信号量的值保持不变。

sem_trywait + usleep的方式实现

主要实现的思路：
sem_trywait函数不管信号量为0或不为0都会立刻返回，当函数正常返回的时候就不usleep；当函数不正常返回时就通过usleep来实现延时，具体是实现方式如下代码中的bool Wait( size_t timeout )函数：

#include <string>
#include<iostream>

#include<semaphore.h>
#include <time.h>

sem_t g_sem;

// 获取自系统启动的调单递增的时间
inline uint64_t GetTimeConvSeconds( timespec* curTime, uint32_t factor )
{
    // CLOCK_MONOTONIC：从系统启动这一刻起开始计时,不受系统时间被用户改变的影响
    clock_gettime( CLOCK_MONOTONIC, curTime );
    return static_cast<uint64_t>(curTime->tv_sec) * factor;
}

// 获取自系统启动的调单递增的时间 -- 转换单位为微秒
uint64_t GetMonnotonicTime()
{
    timespec curTime;
    uint64_t result = GetTimeConvSeconds( &curTime, 1000000 );
    result += static_cast<uint32_t>(curTime.tv_nsec) / 1000;
    return result;
}

// sem_trywait + usleep的方式实现
// 如果信号量大于0，则减少信号量并立马返回true
// 如果信号量小于0，则阻塞等待，当阻塞超时时返回false
bool Wait( size_t timeout )
{
    const size_t timeoutUs = timeout * 1000; // 延时时间由毫米转换为微秒
    const size_t maxTimeWait = 10000; // 最大的睡眠的时间为10000微秒，也就是10毫秒

    size_t timeWait = 1; // 睡眠时间，默认为1微秒
    size_t delayUs = 0; // 剩余需要延时睡眠时间

    const uint64_t startUs = GetMonnotonicTime(); // 循环前的开始时间，单位微秒
    uint64_t elapsedUs = 0; // 过期时间，单位微秒

    int ret = 0;

    do
    {
        // 如果信号量大于0，则减少信号量并立马返回true
        if( sem_trywait( &g_sem ) == 0 )
        {
            return true;
        }

        // 系统信号则立马返回false
        if( errno != EAGAIN )
        {
            return false;
        }

        // delayUs一定是大于等于0的，因为do-while的条件是elapsedUs <= timeoutUs.
        delayUs = timeoutUs - elapsedUs;

        // 睡眠时间取最小的值
        timeWait = std::min( delayUs, timeWait );

        // 进行睡眠 单位是微秒
        ret = usleep( timeWait );
        if( ret != 0 )
        {
            return false;
        }

        // 睡眠延时时间双倍自增
        timeWait *= 2;

        // 睡眠延时时间不能超过最大值
        timeWait = std::min( timeWait, maxTimeWait );

        // 计算开始时间到现在的运行时间 单位是微秒
        elapsedUs = GetMonnotonicTime() - startUs;
    } while( elapsedUs <= timeoutUs ); // 如果当前循环的时间超过预设延时时间则退出循环

    // 超时退出，则返回false
    return false;
}

// 获取需要延时等待时间的绝对时间戳
inline timespec* GetAbsTime( size_t milliseconds, timespec& absTime )
{
    // CLOCK_REALTIME：系统实时时间,随系统实时时间改变而改变,即从UTC1970-1-1 0:0:0开始计时,
    //                 中间时刻如果系统时间被用户改成其他,则对应的时间相应改变
    clock_gettime( CLOCK_REALTIME, &absTime );

    absTime.tv_sec += milliseconds / 1000;
    absTime.tv_nsec += (milliseconds % 1000) * 1000000;

    // 纳秒进位秒
    if( absTime.tv_nsec >= 1000000000 )
    {
        absTime.tv_sec += 1;
        absTime.tv_nsec -= 1000000000;
    }

   return &absTime;
}

// sem_timedwait 实现的睡眠 -- 存在缺陷
// 如果信号量大于0，则减少信号量并立马返回true
// 如果信号量小于0，则阻塞等待，当阻塞超时时返回false
bool SemTimedWait( size_t timeout )
{
    timespec absTime;
    // 获取需要延时等待时间的绝对时间戳
    GetAbsTime( timeout, absTime );
    if( sem_timedwait( &g_sem, &absTime ) != 0 )
    {
        return false;
    }
    return true;
}

int main(void)
{
    bool signaled = false;
    uint64_t startUs = 0;
    uint64_t elapsedUs = 0;

    // 初始化信号量，数量为0
    sem_init( &g_sem, 0, 0 );

    ////////////////////// sem_trywait+usleep 实现的睡眠 ////////////////////
    // 获取开始的时间，单位是微秒
    startUs = GetMonnotonicTime();
    // 延时等待
    signaled = Wait(1000);
    // 获取超时等待的时间，单位是微秒
    elapsedUs = GetMonnotonicTime() - startUs;
    // 输出 signaled:0     Wait time:1000ms
    std::cout << "signaled:" << signaled << "\t Wait time:" << elapsedUs/1000 << "ms" << std::endl;

    ////////////////////// sem_timedwait 实现的睡眠  ////////////////////
    ///////////////////// 存在缺陷，原因当在sem_timedwait阻塞中时，修改了系统时间，则会导致sem_timedwait一直阻塞 //////////////////
    // 获取开始的时间，单位是微秒
    startUs = GetMonnotonicTime();
    // 延时等待
    signaled = SemTimedWait(2000);
    // 获取超时等待的时间，单位是微秒
    elapsedUs = GetMonnotonicTime() - startUs;
    // 输出 signaled:0     SemTimedWait time:2000ms
    std::cout << "signaled:" << signaled << "\t SemTimedWait time:" << elapsedUs/1000 << "ms" << std::endl;

    return 0;
}

测试结果：

[root@lincoding sem]# ./sem_test 
signaled:0     Wait time:1000ms
signaled:0     SemTimedWait time:2000ms

总结

尽量不要使用sem_timedwait函数来实现延时等待的功能，若要使用该延时等待的功能，建议使用sem_trywait+usleep 实现的延时阻塞！