c++ - POSIX 计时器可以安全地修改 C++ STL 对象吗？

Question

我正在尝试为 Linux 上的 POSIX 计时器系统编写一个 C++“包装器”，以便我的 C++ 程序可以使用系统时钟设置超时(例如等待消息通过网络到达)，无需处理 POSIX 丑陋的 C 接口(interface)。它似乎在大多数情况下都有效，但有时我的程序在成功运行几分钟后会出现段错误。问题似乎是我的 LinuxTimerManager 对象(或其成员对象之一)的内存损坏，但不幸的是，如果我在 Valgrind 下运行该程序，问题就不会出现，所以我只能盯着我的代码试图弄清楚找出问题所在。

这是我的计时器包装器实现的核心:

LinuxTimerManager.h:

namespace util {

using timer_id_t = int;

class LinuxTimerManager {
private:
    timer_id_t next_id;
    std::map<timer_id_t, timer_t> timer_handles;
    std::map<timer_id_t, std::function<void(void)>> timer_callbacks;
    std::set<timer_id_t> cancelled_timers;
    friend void timer_signal_handler(int signum, siginfo_t* info, void* ucontext);
public:
    LinuxTimerManager();
    timer_id_t register_timer(const int delay_ms, std::function<void(void)> callback);
    void cancel_timer(const timer_id_t timer_id);
};

void timer_signal_handler(int signum, siginfo_t* info, void* ucontext);
}

LinuxTimerManager.cpp:

namespace util {

LinuxTimerManager* tm_instance;

LinuxTimerManager::LinuxTimerManager() : next_id(0) {
    tm_instance = this;
    struct sigaction sa = {0};
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sa.sa_sigaction = timer_signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    int success_flag = sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL);
    assert(success_flag == 0);
}

void timer_signal_handler(int signum, siginfo_t* info, void* ucontext) {
    timer_id_t timer_id = info->si_value.sival_int;
    auto cancelled_location = tm_instance->cancelled_timers.find(timer_id);
     //Only fire the callback if the timer is not in the cancelled set
    if(cancelled_location == tm_instance->cancelled_timers.end()) {
        tm_instance->timer_callbacks.at(timer_id)();
    } else {
        tm_instance->cancelled_timers.erase(cancelled_location);
    }
    tm_instance->timer_callbacks.erase(timer_id);
    timer_delete(tm_instance->timer_handles.at(timer_id));
    tm_instance->timer_handles.erase(timer_id);
}

timer_id_t LinuxTimerManager::register_timer(const int delay_ms, std::function<void(void)> callback) {
    struct sigevent timer_event = {0};
    timer_event.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    timer_event.sigev_signo = SIGRTMIN;
    timer_event.sigev_value.sival_int = next_id;

    timer_t timer_handle;
    int success_flag = timer_create(CLOCK_REALTIME, &timer_event, &timer_handle);
    assert(success_flag == 0);
    timer_handles[next_id] = timer_handle;
    timer_callbacks[next_id] = callback;

    struct itimerspec timer_spec = {0};
    timer_spec.it_interval.tv_sec = 0;
    timer_spec.it_interval.tv_nsec = 0;
    timer_spec.it_value.tv_sec = 0;
    timer_spec.it_value.tv_nsec = delay_ms * 1000000;
    timer_settime(timer_handle, 0, &timer_spec, NULL);

    return next_id++; 
}


void LinuxTimerManager::cancel_timer(const timer_id_t timer_id) {
    if(timer_handles.find(timer_id) != timer_handles.end()) {
        cancelled_timers.emplace(timer_id);
    }
}

}

当我的程序崩溃时，段错误总是来自 timer_signal_handler()，通常是 tm_instance->timer_callbacks.erase(timer_id) 或 tm_instance-> 行timer_handles.erase(timer_id)。实际的段错误是从 std::map 实现深处的某个地方抛出的(即 STL_tree.h)。

我的内存损坏是否是由修改同一个 LinuxTimerManager 的不同计时器信号之间的竞争条件引起的？我以为一次只传递一个计时器信号，但也许我误解了手册页。让 Linux 信号处理程序修改像 std::map 这样的复杂 C++ 对象通常是不安全的吗？

Answer 1

信号可能发生在例如中间。 malloc 或 free ，因此大多数对容器执行有趣操作的调用可能会导致在其数据结构处于任意状态时重新进入内存分配支持。 (正如评论中所指出的，大多数函数在异步信号处理程序中调用都是不安全的。malloc 和 free 只是示例。)以这种方式重新进入组件会导致几乎任意的失败。

如果在库内的任何操作期​​间不阻止整个进程的信号，就无法确保库免受此行为的影响。这样做的成本非常高，无论是管理信号掩码的开销还是信号被阻塞的时间量。 (它必须适用于整个进程，因为信号处理程序不应阻塞锁。如果处理信号的线程调用受互斥锁保护的库，而另一个线程持有信号处理程序所需的互斥锁，则处理程序将阻塞。当这种情况发生时，很难避免死锁。)

解决这个问题的设计通常有一个线程来监听特定事件，然后进行处理。您必须使用信号量在线程和信号处理程序之间进行同步。