使用 pthread_cancel 引入的死锁问题

Posted 2022-10-04 gyforever1004

先来说一下 pthread_cancel 基本概念。

pthread_cancel 调用并不是强制终止线程，它只提出请求。
线程如何处理 cancel 信号则由目标线程自己决定，可以是忽略、可以是立即终止、或者继续运行至 Cancelation-point（取消点），由不同的 Cancelation 状态决定。

有几个与 pthread_cancel  相关的函数也要提及一下：

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)

设置本线程对 cancel 信号的处理，state 有两种值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和 PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分别表示收到信号后设为 CANCLED 状态和忽略 CANCEL 信号继续运行。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)

设置本线程取消动作的执行时机，type 有两种取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED 和 PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，仅当 cancel 状态为 ENABLE 时有效，分别表示收到信号后继续运行至下一个取消点再退出和立即执行取消动作（退出）。

void pthread_testcancel(void)

当线程中不包含取消点，但是又需要取消点的地方需使用此函数创建一个取消点，以便在一个没有包含取消点的执行代码线程中响应取消请求.

当然，线程的取消点并非只有调用该函数来设定，系统中有些函数调用也具有取消点特性如：pthread_cond_wait，sigwait(2) 等等。具体的大家可以网络上查询。

 

了解了 pthread_cancel 的取消机制之后，进入 bug 分析环节。

源码如下：

 1 #include <pthread.h>
 2 #include "stdio.h"
 3 #include "stdlib.h"
 4 #include "unistd.h"
 5 
 6 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 7 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
 8 
 9 void* testThreadOne(void* arg)
10 
11 　　pthread_mutex_lock(&mutex);
12 　　puts("ThreadOne label 1.");
13 　　pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
14 　　puts("ThreadOne label 2.");
15 　　pthread_mutex_unlock(&mutex);
16 　　puts("ThreadOne label 3.");
17 　　pthread_exit(NULL);
18 
19 
20 void* testThreadTwo(void* arg)
21 
22 　　sleep(2);
23 　　puts("ThreadTwo label 1.");
24 　　pthread_mutex_lock(&mutex);
25 　　puts("ThreadTwo label 2.");
26 　　pthread_cond_broadcast(&cond);
27 　　pthread_mutex_unlock(&mutex);
28 　　puts("ThreadTwo label 3.");
29 　　pthread_exit(NULL);
30 
31 
32 int main()
33 
34 　　pthread_t tid[2] = 0;
35 
36 　　pthread_create(&tid[0], NULL, testThreadOne, NULL);
37 　　pthread_create(&tid[1], NULL, testThreadTwo, NULL);
38 
39 　　sleep(1);
40 　　puts("Main thread label 1.");
41 　　pthread_cancel(tid[0]);
42 
43 　　pthread_join(tid[0], NULL);
44 　　pthread_join(tid[1], NULL);
45 　　pthread_mutex_destroy(&mutex);
46 　　pthread_cond_destroy(&cond);
47 
48 　　return 0;
49 

先来编译运行此程序：

ThreadOne label 1.
Main thread label 1.
ThreadTwo label 1.

结果不尽人意，程序并没有退出，产生了死锁的问题。

结合打印我们可以分析出程序停在了线程二 pthread_mutex_lock(&mutex) 的位置。

 

我们可以大致的梳理下整个程序的运行流程：

两个线程创建后，主线程会睡眠1秒，由于线程二开始也是要睡眠，所以此时线程一取得了运行权，
它会先将 mutex 上锁，并输出 label 1 信息，wait 函数内部会先将 mutex 解锁，然后等待 cond 条件，暂时没有其它线程唤醒，所以线程一会阻塞在此处。

由于主线程的睡眠时间较短，所以会优先被唤醒继续执行，输出 main label 1，随后调用 pthread_cancel 函数向线程一发出退出请求，并阻塞在 join 处。
此时线程一的 cancel 请求处理处于“受理”的状态，并且恰巧处于请求点(wait 调用)，所以线程一会正常的退出。

流程继续，线程二的睡眠时间到并取得了运行权，先是输出 label 1 信息，然后请求 lock mutex，问题来了，线程二会在此阻塞下去。主线程也阻塞在 join 处无法退出。原因是为什么呢？

仔细一想我们就可以得出答案，通过之前的知识储备，wait 在调用时其内部会先将 mutex 解锁，如果被条件唤醒的话，它的内部会再次将 mutex 上锁来占据资源。

其实我们通过查看 GLIBC 的源码就可以来证明一切，我在这里贴出 2.30 版本的部分源码：

 1 static __always_inline int
 2 __pthread_cond_wait_common (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex,
 3 　　clockid_t clockid,
 4 　　const struct timespec *abstime)
 5 
 6 　　　　...
 7 　　err = __pthread_mutex_unlock_usercnt (mutex, 0);
 8 　　　　...
 9 　　futex_wait_cancelable(cond->__data.__g_signals + g, 0, private)
10 　　　　--> oldtype = __pthread_enable_asynccancel ();
11 　　　　--> int err = lll_futex_timed_wait (futex_word, expected, NULL, private);
12 　　　　--> __pthread_disable_asynccancel (oldtype);
13 　　　　...
14 　　err = __pthread_mutex_cond_lock (mutex);
15 　　　　...
16 

通过源码可知，wait 函数的入口和出口处分别会对 mutex 进行加锁和解锁的操作，而在 __pthread_enable_asynccancel () 与 __pthread_disable_asynccancel (oldtype) 之间的时段里就对应着我们前面提到过的取消点，只有程序执行在两个函数之前时才可以被 cancel（默认状态下） 函数所取消。而我们使用 cancel 请求处于取消点的 wait 函数退出时，线程不是直接退出，而是将 wait 函数执行完成，所以BUG就这样引入了，mutex 并没有得到释放，可我们一定要这样的使用 cancel 函数的话，就没有解决锁释放的方法了么？

答案是有的，官方早已想到了这点，为我们精心准备了 pthread_cleanup_push 函数，它的作用就是在一些情况下退出线程做出一些收尾的动作，如使用 phread_exit、pthread_cancel 函数退出线程，在网上有说过线程异常退出的也可以调用 clean 函数，可笔者尝试过内存越界访问情况的异常，clean 函数却没有被调用，可能是指的不是这种情况吧。

利用 clean 函数，我们可以对前面的源程序中的线程一做一些修改，如下所示：

 1 void cleanup(void *arg)
 2 
 3     pthread_mutex_unlock(&mutex);
 4 
 5 
 6 void *testThreadOne(void *arg)
 7 
 8     pthread_cleanup_push(cleanup, NULL);
 9     pthread_mutex_lock(&mutex);
10     puts("ThreadOne label 1.");
11     pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
12     puts("ThreadOne label 2.");
13     pthread_mutex_unlock(&mutex);
14     puts("ThreadOne label 3.");
15     pthread_cleanup_pop(0);
16     pthread_exit(NULL);
17 

再次编译执行程序：

ThreadOne label 1.
Main thread label 1.
ThreadTwo label 1.
ThreadTwo label 2.
ThreadTwo label 3.

Perfect！ mutex 得到了正确的释放，程序正常执行完毕。

 

本文参考自：https://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/08/15/2139830.html