【随笔记】C++ condition_variable 陷阱

问题说明

通过 std::condition_variable 来实现超时等待，会受到系统时间变化的影响，系统时间倒退修改就会导致延后唤醒，系统时间提前将会导致提前被唤醒，返回结果仍为超时。

这种问题只有在系统时间发生变化的时候才会出现，例如搭配 NTP 更新功能，硬件还未同步时间时，一般在 1993 年，此时使用了 wait_for() 这类接口等待 10 秒，结果在 10 秒内被 ntp 同步更新了时间到 2023，那么时间生效的一瞬间，wait_for() 就会直接被唤醒，且返回的结果是超时唤醒。

另外一种时间倒退的场景，则影响会更大，例如在 2023 年，时间调回了 2022 年，那么 wait_for() 将会等待一年多才会被超时唤醒，代码的表现现象则是该线程出现了 wait() 的效果。

通过分析 std::condition_variable 源码，可以很清晰看到使用的是系统时间：

示例代码：

实现一个可以随时被打断的延时等待类。

有隐患的代码：

bool DelayControl::delay(unsigned int millisecond)
{
	bool is_timeout	= false;

	unique_lock< mutex > lock(mutex_data_);
	is_runing_ = true;
	is_timeout = (cv_status::timeout == cond_.wait_for(lock, chrono::milliseconds(millisecond)));
	is_runing_ = false;
	lock.unlock();
	
	return is_timeout;
}
void DelayControl::stop()
{
	unique_lock< mutex > lock(mutex_data_);
	cond_.notify_all();
}

改进方案一(使用 select 方式实现)：缺点是一个对象会浪费两个文件描述符资源

DelayControl::DelayControl()
{
	is_runing_ = false;
	pipe(pipefd_);
}

bool DelayControl::delay(unsigned int millisecond)
{
	int result;
	fd_set rdfs;
    struct timeval timeout;
    bool is_timeout = false;
	
	is_runing_ = true;
	FD_ZERO(&rdfs);
	FD_SET(pipefd_[0], &rdfs);
	timeout.tv_sec = millisecond / 1000;
	timeout.tv_usec = (millisecond - ((millisecond / 1000) * 1000)) * 1000;
	switch((result = select(pipefd_[1] + 1, &rdfs, NULL, NULL, &timeout))){
		case 0: is_timeout = true; break;
	}
	is_runing_ = false;
	return is_timeout;
}

void DelayControl::stop()
{
	write(pipefd_[1], "", 1);
}

改进方案二(使用 pthread_cond_timedwait 方式实现)：完美方案

关键在于使用了 CLOCK_MONTONIC ，其用不是系统时间，而是内核的计数器 jiffies，系统每次启动时，jiffies初始化为0。每来一个timer interrupt，jiffies加1，即它代表系统启动后流逝的tick数，jiffies 只会单调递增。

DelayControl::DelayControl()
{
	is_runing_ = false;
	pthread_condattr_init(&cond_cattr_);
	pthread_mutex_init(&mutex_data_, NULL);
	pthread_condattr_setclock(&cond_cattr_, CLOCK_MONOTONIC);
	pthread_cond_init(&cond_, &cond_cattr_);
}

DelayControl::~DelayControl()
{
	pthread_mutex_lock(&mutex_data_);
	pthread_cond_broadcast(&cond_);
	pthread_mutex_unlock(&mutex_data_);
	pthread_cond_destroy(&cond_);
	pthread_mutex_destroy(&mutex_data_);
}

bool DelayControl::delay(unsigned int millisecond)
{
	struct timespec tv;
	bool is_timeout = false;
	
	pthread_mutex_lock(&mutex_data_);
	is_runing_ = true;
	clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tv);
	millisecond += (tv.tv_sec * 1000) + (tv.tv_nsec / 1000000);
	tv.tv_sec = millisecond / 1000;
	tv.tv_nsec = (millisecond - ((millisecond / 1000) * 1000)) * 1000 * 1000;
	is_timeout = pthread_cond_timedwait(&cond_, &mutex_data_, &tv) ? true : false;
	is_runing_ = false;
	pthread_mutex_unlock(&mutex_data_);
	
	return is_timeout;
}

bool DelayControl::isRuning()
{
	bool is_runing = false;
	pthread_mutex_lock(&mutex_data_);
	is_runing = is_runing_;
	pthread_mutex_unlock(&mutex_data_);	
	return is_runing;
}

void DelayControl::stop()
{
	pthread_mutex_lock(&mutex_data_);
	is_runing_ = false;
	pthread_cond_broadcast(&cond_);
	pthread_mutex_unlock(&mutex_data_);
}

用如下随机设置系统时间的方式压力测 6 小时通过：

#define RAND(_MIN_, _MAX_) (rand() % (_MAX_-_MIN_+1) + _MIN_)
int main()
{
	Logger::getInstance().init("/mnt/UDISK/pre_bullying/logs/DelayControl.log", 1024*1024*2, 1);
	
	std::shared_ptr<MeasureTime> sp_timer_;
	std::shared_ptr<DelayControl> sp_delay_;
	
	sp_delay_ = std::make_shared<DelayControl>();
	sp_timer_ = std::make_shared<MeasureTime>(100);
	srand((unsigned)time(NULL)); 
	
	{
		DelayControl mDelayControl;
		mDelayControl.delay(1000);
	}
	
	std::thread t([&]{
		char buf[64] = {0};
		while(true){
			usleep(RAND(0, 5000) * 1000);
			system("ntpclient -s -c 1 -h ntp7.aliyun.com -i 3");
			usleep(RAND(0, 5000) * 1000);
			snprintf(buf, sizeof(buf), "date -s \"%.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\"",  RAND(1990, 2030), RAND(1, 12), RAND(1, 29), RAND(0, 23), RAND(1, 60), RAND(1, 60));
			iprint("set time:[%s]", buf);
			system(buf);
		}
	});
	t.detach();
	
	while(true)
	{
		int delay = RAND(0, 5000);
		unsigned long long ms = 0;
		iprint("delay:-->[%d]", delay);
		sp_timer_->update();
		bool isdone = sp_delay_->delay(delay);
		ms = sp_timer_->getMillisecond();
		iprint("delay %s:[%d][%d][%lld]", delay != ms ? "delay != ms" : "done", isdone, delay, sp_timer_->getMillisecond());
	}
	
	return 0;
}