マルチスレッドプログラム(Linux)によるシリアル通信 [ C言語 ]

Question

現在linuxマルチスレッドのプログラムでシリアル通信の受信をやっております.

プログラム起動後数回は受信に成功するのですが, その後全く受信することができません.原因がわかる方がいらっしゃいましたらご教授お願い致します.

シリアルを開く関数
int open_serial_port( char* modem_dev ){
  struct termios newtio;
  
    fd[0] = open( modem_dev, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK );
  if( fd[0] < 0 ){
    fprintf( stderr, "open error\n" );
    return -1;
  }
  
  fcntl( fd[p], F_SETOWN, getpid() );
  fcntl( fd[p], F_SETFL, FASYNC );
  tcgetattr( fd[p], &oldtio ); //save

  newtio.c_iflag = 0;
  newtio.c_oflag = 0;
  newtio.c_cflag = 0;
  newtio.c_lflag = 0;
  newtio.c_line = 0;
  bzero( newtio.c_cc, sizeof( newtio.c_cc ) );
  
  cfsetispeed( &newtio, BAUDRATE );
  cfsetospeed( &newtio, BAUDRATE );
  
  newtio.c_cflag |= ( CLOCAL | CREAD );
  
  newtio.c_cflag &= ~PARENB;
  newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
  newtio.c_cflag &= ~CSIZE; 
  newtio.c_cflag |= CS8;
  newtio.c_cflag &= ~CRTSCTS;
  
  newtio.c_lflag &= ~( ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG );
  newtio.c_iflag = ( IGNPAR | IGNCR ); 
  newtio.c_iflag &= ( IXON | IXOFF | IXANY );
  
  newtio.c_oflag &= ~OPOST;
  
  newtio.c_cc[VTIME] = 0;
  newtio.c_cc[VMIN] = 1;
  
  /* clear the modem line */
  tcflush( fd[p], TCIFLUSH );
  tcsetattr( fd[p], TCSANOW, &newtio );
  
  return 0;
}

シリアル受信のスレッドです

void* thread0(){
  struct sigaction action;
  struct sigevent evp;

  k1 = 0;
  k2 = 0;

  pthread_mutex_init( &mutex0, NULL );
  pthread_cond_init( &cond0, NULL );
  
  memset( &action, 0, sizeof(action) );
  memset( &evp, 0, sizeof(evp) );
  
  action.sa_sigaction = SignalHandler;
  action.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_RESTART;
  sigemptyset( &action.sa_mask );

  evp.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
  evp.sigev_signo = SIGIO;
  
  if( sigaction( SIGIO, &action, NULL ) < 0 ){
    perror( "sigaction error" );
    return -1;
  }
  
  while(1){
    pthread_mutex_lock( &mutex0 );
    pthread_cond_wait( &cond0, &mutex0 );
    
    memset( buffer, '\0', sizeof(buffer) );

    k = read( fd[0], buffer, sizeof(buffer) );
    printf( "receive char : %d \n" , k );
    
    
    if( k > 0 ){

      // save buffer to rs_rbuffer and alz_buffer k byte ( k:受信したバイト数 )
      memcpy( &rs_rbuffer[k1], buffer, k );
      memcpy( &alz_buffer[k1], buffer, k );

      k1 += k;
      k2 += k;
      
      pthread_cond_signal( &cond1 ); 
            
   }
    pthread_mutex_unlock( &mutex0 );

  }
  
   pthread_exit(0);
}

シグナル

// SIGIO handler
void* SignalHandler(int signum, siginfo_t *info, void* ctxt){
  pthread_cond_signal( &cond0 );
}

Answer 1

Pthreadプログラミング一般論の観点から、条件変数(pthread_cond_*)の利用方法が誤っています。特に待機関数pthread_cond_waitは、必ず 通常変数を用いた条件式とループ構造 としなければなりません。

条件変数とミューテックスを使ったスレッド間通知では、下記のようなコード構造をとる必要があります。（ここでは一方向通知を仮定）

int condition; // 待機したい"条件"をあらわす通常の変数
               // 複数の変数からなる複合条件の場合もある
pthread_mutex_t mtx;
pthread_cond_t cv;
// （初期化処理は省略）

// 通知側スレッド
pthread_mutex_lock(&mtx);
condition = 1;/* 待機条件を満たしたことを設定 */
pthread_cond_signal(&cv);
pthread_mutex_unlock(&mtx);

// 待機側スレッド
pthread_mutex_lock(&mtx);
while (!condition/*条件を満たしていない間 wait処理に入る*/) {
  pthread_cond_wait(&cv, &mtx);
}
// 待機条件が満たされた状態で到達
pthread_mutex_unlock(&mtx);

条件変数 Step-by-Step入門 の説明も参考に下さい。

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通知スレッドの部分をシグナルハンドラで実装する場合も同様にして実装すればよいでしょうか？

いいえ。Linux(POSIX)シグナルハンドラ内部で行える処理は、通常コードに比べると大幅に制限されます。基本的に、ほとんど全てのCライブラリ関数は呼び出せないと考えてください。JP-CERTの シグナルハンドラ内では非同期安全な関数のみを呼び出す も参照ください。

厳格な話をすると、シグナルハンドラ本体では「volatile sig_atomic_t型の変数を書き換える」か「ごく一部の限られた関数（シグナルセーフ関数）を呼び出すこと」しか行ってはいけません。ミューテックスのロック操作や条件変数への通知操作はシグナルセーフではないため、何が起きても（期待通り動かなくても）文句を言えません。

シグナルハンドラと別スレッドの通信には、volatile sig_atomic_t型の変数を使うか、POSIXセマフォ(sem_post)しか通信の手段がありません。

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非同期シグナルハンドラとPthreadマルチスレッド処理を組合せるのは、非常に高度なトピックですし、難解で間違えやすいプログラミングの代表格です。

非同期シグナルハンドラを使うのではなく、sigwait関数による同期的なシグナル待機に書き換えられるのであれば、後者の方がマルチスレッドプログラミングとの親和性が高くなります。詳細は シグナルハンドラを使わないでシグナルをハンドルする や シグナルについて を参照ください。

Comments

[退会済みユーザー]

通知スレッドの部分をシグナルハンドラで実装する場合も同様にして実装すればよいでしょうか？
下記します.

// SIGIO receive handler 　通知側
void* SignalHandler(int signum, siginfo_t *info, void* ctxt){

pthread_mutex_lock( &mutex0 );
condition = 1;
pthread_cond_signal( &cond0 );
pthread_mutex_unlock( &mutex0 );

}

//　受信スレッド
void* thread0(){
struct sigaction action;
struct sigevent evp;
k1 = 0;
k2 = 0;

pthread_mutex_init( &mutex0, NULL );
pthread_cond_init( &cond0, NULL );

memset( &action, 0, sizeof(action) );
memset( &evp, 0, sizeof(evp) );

action.sa_sigaction = SignalHandler;
action.sa_flags = 0;
action.sa_restorer = NULL;
sigemptyset( &action.sa_mask );

evp.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
evp.sigev_signo = SIGIO;

if( sigaction( SIGIO, &action, NULL ) < 0 ){
perror( "sigaction error" );
return -1;
}

while(1){
pthread_mutex_lock( &mutex0 );

while( !condition ){
pthread_cond_wait( &cond0, &mutex0 );
}
condition = 0;

memset( buffer, '\0', sizeof(buffer) );
k = 0;

k = read( fd[0], buffer, sizeof(buffer) );

if( k > 0 ){
memcpy( &rs_rbuffer[k1], buffer, k );

k1 += k;
k2 += k;

pthread_cond_signal( &cond1 );

}

}

pthread_mutex_unlock( &mutex0 );

}
pthread_exit(0);
}

[退会済みユーザー]

非同期シグナルセーフな関数を確認してみましたが、本当に限定されており、プログラムの大幅な改善が必要なように思いました。

sigwait関数を利用したプログラムを再度コーディングして、
わからない場所はまた質問致します。
ありがとうございました。

Answer 2

受信処理部分のデータがなかった場合に、pthread_cond_signalをコールしていないのは
気になります。

受信するデータが無かった場合は、pthread_cond_wait()解除する信号が送られないので
でデッドロックします。
ですので、下記の修正が必要かと思います。

受信処理の一部

if( k > 0 ){
    ・・・省略・・・
#      pthread_cond_signal( &cond1 ); 
}
pthread_cond_signal( &cond1 );  # ここに移動 
pthread_mutex_unlock( &mutex0 );

Comments

[退会済みユーザー]

メインスレッドの他に, pthread_create によって２つのスレッドを作成しております.
しかし現在は受信がうまく動作していないため、もう一つの処理部分のスレッドはコメントアウトしています.