C语言陷阱与技巧第3节，怎样主动让出CPU？如何为C语言函数增加超时检测功能

在Linux C语言程序开发中，这个场景经常出现：进程 A 负责驱动数据采集装置获取数据，进程 B 则负责接收数据并处理。显然，进程 B 需要等待进程 A 将一次数据采集完毕才可以进行下一步工作，因此约定进程 A 采集一次数据完毕时，将 ready 位由 0 置 1，进程 B 监测 ready 位，若发现数据采集完毕，就开始数据处理。

适时地让出 CPU

如果数据到达之前，进程 B 的工作无法展开，那进程 B 显然应该时刻监测 ready 位由 0 变为 1，这样才能在数据准备完毕的第一时间开始处理数据的工作，这样的需求可以用类似下面这样的C语言代码解决，请看：

while(!ready);
/** 下一步工作 */

上面的C语言代码使用 while 循环不断检测 ready 位，一旦发现 ready 位被置 1，就立刻进行下一步的工作。这么做似乎绝对不会浪费一点点时间，因此是最好的做法。真的是这样吗？

如果整个系统只有进程 A 和进程 B，这么做的确很好。遗憾的是，如果系统里还有其他进程，上面这种做法就不太合适了，C语言程序遇到 while(!ready); 时，CPU 除了判断 ready 的值，其他什么都不做，这时，整个系统的效率就被拖累了。

虽然现代操作系统大都拥有“抢占式”的内核，但一般都是通过时间片轮转调度的，在 Linux 中，调度程序的周期一般在 10ms 量级。10ms 的时间，已经够 CPU 处理很多事情了。

如果数据的处理工作对时间的要求没有苛刻到连 10ms 都不能浪费，那么进程 B 在发现 ready 位没有被置位时，主动的将 CPU 让出给其他进程使用，显然可以提升整个系统的效率。因此，进程 B 等待 ready 置位的 C语言代码，按照下面这样写更加合适，请看：

while(!ready)
    usleep(10);
/** 下一步工作 */

usleep(10) 可以让进程 B 进入睡眠 10 us（微秒），但在 Linux 中，这么做能够使进程 B 将 CPU 暂时让出，交给操作系统分配给其他进程使用，进程 B 损失一点点时间效率，换来整个系统的效率提升。

超时判断，以及 usleep 的陷阱

如果进程 A 因为某种原因退出了，那 ready 位永远都不会被置 1，这将导致进程 B 卡死在下面这两行C语言代码：

while(!ready)
    usleep(10);

避免这种情况的一个好方法是增加超时判断，如果超过一段时间，进程 B 发现 ready 仍然没有被置位，就结束等待。要是进程 A 采集数据的周期是 t 秒，那超时时间就可以设置为 t+1 秒，这样就不会在进程 A 意外退出时，进程 B 仍然傻傻的等待 ready 位了。

不过，C语言并没有提供“超时”语法，这就需要程序员自己实现超时等待功能了。这种功能也并不难实现，假设超时时间为 5 秒，那相关的C语言代码可以如下实现：

int cnt = 50000;
while(!ready && cnt--)
    usleep(100);

使用上面这段C语言代码实现“超时等待”功能足够简单，但是可靠吗？假设 ready 位始终为 0，那上面这几行C语言代码就相当于下面这几行：

int cnt = 50000;
while(!ready && cnt--)
    usleep(100);

现在在 main() 函数中测试上述方法的实际睡眠时间，相关C语言代码如下，请看：

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>

long get_cur_ms()
{
     struct timeval tv;
     gettimeofday(&tv, NULL);
     return tv.tv_sec*1000 + tv.tv_usec/1000;
}   
int main()
{
     long otime = get_cur_ms();
     printf("cur ms: %ld\n", otime);

     int cnt = 50000;
     while(cnt--)
         usleep(100);

     printf("err ms: %ld\n", get_cur_ms()-otime);

return 0;
}

上述C语言代码中的 get_cur_ms() 函数可以获得当前时间的毫秒数，在测试“超时”代码之前，先使用 otime 记录当前时间 ms 数，然后在使用“超时”代码后的时间 ms 数减去 otime，就可以得到“超时”代码实际的等待时间了。编译这段C语言代码并执行，得到如下结果：

# ./a.out 
cur ms: 1553603227960
err ms: 8406

根据“超时”C语言代码段，预期时间差输出应该是 5 秒，也即 err ms 应该等于 5000，但是输出却是 8406，与预期相差 68%， 这是怎么回事呢？其实查看 usleep 的使用说明就可以得到答案了：

根据上述文档说明，usleep(usec) 会将线程挂起至少 usec 秒，而不是严格的 usec 秒，具体多少时间则取决于系统的调度。如果系统比较繁忙，那么 usleep(usec) 的实际睡眠时间可能会被延长，这就解释了预期睡眠 5 秒的C语言代码，最终却睡眠了 8 秒多。

那“超时”代码该怎么写呢？应该明白 gettimeofday() 函数可以获取微秒量级的时间，用于“超时”估计是非常合适的，请看下面的C语言代码：

 while(get_cur_ms()-otime < 5000)
         usleep(100); 

编译上述C语言代码并执行，可以得到如下输出：

# ./a.out 
cur ms: 1553608462083
err ms: 5000

可以看出，以上C语言代码的确提供了更加精确的“超时”功能。

感兴趣的读者可以自己掐秒表测试这两种“超时”C语言代码。

测试自定义的超时功能

请看下面的C语言代码：

 #include <stdio.h>                          
 #include <sys/time.h>                       
 #include <unistd.h>                         
 #include <pthread.h>                        

 int ready = 0;                              

 long get_cur_ms()                           
 {           
     struct timeval tv;                      

     gettimeofday(&tv, NULL);                

     return tv.tv_sec*1000 + tv.tv_usec/1000;
 }           

 void *thread(void *p)                       
 {           
     sleep(3);                               
     ready = 1;                              
     return NULL;                            
 }           

 int main()  
 {           
     pthread_t pid;                          
     pthread_create(&pid, NULL, thread, NULL);

     long otime = get_cur_ms();              

     while( !ready && get_cur_ms()-otime < 5000)
         usleep(100);                        
     if(get_cur_ms()-otime >= 5000)           
         printf("time out\n");               

     printf("err ms: %ld\n", get_cur_ms()-otime);

    return 0;
 }

上述C语言代码使用 thread() 线程函数模拟进程 A 对 ready 标志位 3 秒后置 1，main() 函数若 5 秒仍未检测到 ready 被置 1，就提示 “time out”。编译上述C语言代码并执行，得到如下输出:

# gcc t.c -lpthread
# ./a.out 
err ms: 3000

因为 thread() 函数 3 秒后将 ready 置 1了，所以没有超时。现在将 thread() 中的 sleep(3) 改为 sleep(6)，编译修改后的C语言代码并执行，得到如下输出：

一切与预期一致。

从本节可知，在 Linux C语言程序开发中，需要使用 while 循环不断检查某标志位是否置位时，若对时间的要求不是特别苛刻，可以适当调用 usleep() 函数主动让出 CPU，以提升系统的整体效率。另外，若需要增加超时功能，使用 usleep() 函数误差常常会比较大，应该借助别的方法实现。