gethostbyname函数阻塞超时实现

在项目中涉及到网络功能时，常常会用到gethostbyname函数来实现域名到IP地址的解析。可是该函数经过dns解析域名时是阻塞方式的行为，由于当程序运行环境网络不通时，调用它的进程就会阻塞，这在单进程环境下不是问题，但在多线程环境下时，这将致使整个整个进程的阻塞，经常不是指望的行为。最近项目开发中恰好遇到了这个问题，因此思考了一下它的阻塞超时实现，也许不是很完美但测试能用。

实现经过使用alarm函数发出的定时信号和siglongjmp函数来解除gethostbyname函数的阻塞，由于涉及到线程与信号的复杂关系，实现也就稍显复杂了。首先须要注意的几点是：

1. alarm定时器是进程资源，全部的线程共享相同的alarm。因此在进程中的多个线程不可能互不干扰地使用闹钟定时器[APUE P335]。所以多个线程只能使用一个alarm定时器。
2. 进程中的信号是被递送到单个线程的。若是信号与硬件故障或计时器超时相关，该信号就被发送到引发该事件的线程中去，而其它的信号则被发送到任意一个线程[APUE P334]。所以须要控制信号的发送，进程中使用sigprocmask来阻止信号发送，而线程应该使用pthread_sigmask来实现一样的目的。
3. sigsetjmp/siglongjmp与setjmp/longjmp的区别在于对信号掩码的保存与恢复，因为信号处理程序是异步执行的，以及上述两点，必须使用sigsetjmp/siglongjmp来实现跳转返回。
4. gethostbyname和inet_ntoa函数都是不可重入的，因此必须进行同步控制，加锁处理。

接下来看代码实现，首先是一些静态变量与信号处理函数的定义：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <resolv.h>
#include <arpa/nameser.h>
#include <errno.h>
#include <setjmp.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>

#define RET_FAILURE (-1)
#define RET_SUCCESS  0

#define PLOG(level,format,args...) \
		 do{printf("[%s]",#level);printf(format,##args);}while(0)

static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static sigjmp_buf jmpbuf;
static volatile sig_atomic_t canjump;
static void alarm_handle(int signo)
{
	if(canjump == 0)
		return;
	canjump = 0;
	siglongjmp(jmpbuf,1);
}

线程锁用来保证一次只有一个线程调用gethostbyname。原子变量canjump用来保证siglongjmp跳转以前，已经成功执行过sigsetjmp设置好了jmpbuf跳转缓冲。

下面是gethostbyname的包装函数实现：

int gethostbyname_proc2(char *name,char *ip)
{
    int ret = RET_SUCCESS;
    struct hostent *host = NULL;
    int timeout = 5;

    if(name == NULL || ip == NULL)
    {
        PLOG(ERR,"invalid params!\n");
        return RET_FAILURE;
    }

    pthread_mutex_lock(&lock);
    sigset_t mask,oldmask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask,SIGALRM);
    pthread_sigmask(SIG_UNBLOCK,&mask,&oldmask);
#if 1
    signal(SIGALRM, alarm_handle);
    alarm(timeout);
    if(sigsetjmp(jmpbuf,1)!=0)
    {
            PLOG(ERR,"gethostbyname timeout\n");
            alarm(0);
            signal(SIGALRM,SIG_IGN);
            pthread_mutex_unlock(&lock);
            pthread_sigmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);
            return RET_FAILURE;
    }
    canjump = 1; /* sigsetjmp() is ok */
#endif
    res_init(); /* clear dns_cache */
    host = gethostbyname(name);
    int i = 0;
    while(1)
    {
            printf(">>>i=%d\n",i++);//host = NULL;
            sleep(1);
    }
    /* cancel signal handle if return */
    alarm(0); // cancel timer
    signal(SIGALRM,SIG_IGN);

    if (host == NULL)
    {// use h_errno not errno variable
            PLOG(ERR, "get host %s err:%s!\n", name, hstrerror(h_errno));
            ret = RET_FAILURE;
    }
    else
    {// only get the first ipv4 addr if host has many ipv4 addrs
            inet_ntop(AF_INET,(struct in_addr *)host->h_addr,ip,INET_ADDRSTRLEN);
            PLOG(DBG, "gethostbyname %s success,ip:%s!\n",name,ip);
            ret = RET_SUCCESS;
    }
    pthread_sigmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return ret;
}

首先解除线程的SIGALRM信号阻塞以并接收该信号，而后设置跳转缓冲以及超时后的处理逻辑，while(1)代码段是为了模拟gethostbyname执行阻塞超时（模拟网络不通环境，仅为测试），在gethostbyname执行成功后取消定时器并转换IP地址。这里用可重入的inet_ntop函数代替inet_ntoa函数。

测试线程与主程序代码：

void *get_host_addr(void *arg)
{
    int ret = 0;
    char name[32] = "www.baidu.com";
    char ip[16]={0};
    while(1)
    {
            printf("++++++++++++++[%s]time1 = %lu +++++++++++\n",(char*)arg,time(NULL));
            ret = gethostbyname_proc2(name,ip);
            printf("++++++++++++++[%s]time2 = %lu +++++++++++\n",(char*)arg,time(NULL));
            usleep(100000);
    }
    return (void*)ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
    char name[32] = "www.baidu.com";
    char ip[16]={0};
    pthread_t tid1,tid2;
    sigset_t mask,oldmask;

    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask,SIGALRM);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK,&mask,&oldmask);

    pthread_create(&tid1,NULL,get_host_addr,"T_11");
    pthread_create(&tid2,NULL,get_host_addr,"T_22");

    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);

    sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);

    return ret;
}

建立两个线程不断去获取百度的IP地址，在主线程中首先阻止SIGALRM信号的发送，而使用pthread_create函数建立新线程时，新建线程会继承现有的信号屏蔽字。因此只有在线程调用gethostbyname函数时才会接收到SIGALRM信号。

当执行信号处理函数时，系统会屏蔽掉SIGALRM信号的接收，若是使用setjmp/longjmp函数则跳转回去后SIGALRM信号依然被屏蔽，这显然是不合适的，因此必须用sigsetjmp/siglongjmp来保证信号屏蔽字的恢复。

实现的执行结果测试以下：

hong@ubuntu:~/test/test-example$ ./gethostbyname_proc
++++++++++++++[T_11]time1 = 1384779930 +++++++++++
++++++++++++++[T_22]time1 = 1384779930 +++++++++++
>>>i=0
>>>i=1
>>>i=2
>>>i=3
>>>i=4
[ERR]gethostbyname timeout
++++++++++++++[T_11]time2 = 1384779935 +++++++++++
>>>i=0
++++++++++++++[T_11]time1 = 1384779935 +++++++++++
>>>i=1
>>>i=2
>>>i=3
>>>i=4
[ERR]gethostbyname timeout
++++++++++++++[T_22]time2 = 1384779940 +++++++++++
>>>i=0
++++++++++++++[T_22]time1 = 1384779940 +++++++++++
>>>i=1
>>>i=2
>>>i=3
>>>i=4
[ERR]gethostbyname timeout
++++++++++++++[T_11]time2 = 1384779945 +++++++++++
>>>i=0
++++++++++++++[T_11]time1 = 1384779945 +++++++++++
>>>i=1
>>>i=2
^C

若是不进行SIGALRM信号的线程屏蔽，则在调用一次gethostbyname_proc2后就会出线段错误。缘由是siglongjmp跳转到了未初始化的栈内存中，而更深层致使跳转错误的缘由应该是SIGALRM信号随机发送到了不一样的线程，而该线程没有执行sigsetjmp函数（不是正在调用gethostbyname_proc函数的线程）。