2017-04-06
之前在看LinuxThreads線程模型的時候，看到該模型是通過信號實現線程間的同步，當時沒有多想，直接當做信號量了，現在想起來真是汗顏……后來想想並不是那么回事，於是，就有了今天這篇博文！
其實關於信號的文章，網上有很多，寫的也很好，而筆者僅僅是想把自己的想法記錄下來，一來幫助自己捋順思路，二來說不定還可以幫助他人理解，如有錯誤，還請指正！
一、總體介紹
Linux的信號在實現機制上根中斷很類似，以至於有文獻把linux信號作為軟中斷，這當然在一定程度上是說的過去，但是筆者不建議這么做，因為雖然二者的實現機制又相同之處，但是二者所處理的事務千差萬別；況且軟中斷在Linux中是一個專有名詞，比如中斷處理下半部常作為軟中斷的方式存在，而軟中斷的記錄根CPU相關而根某個進程無關，這里強行把信號作為軟中斷對於初學者的理解也有害無益，至少應該明確說明區別，想當初筆者本科時由老師提到異常就是軟中斷，這概念因為先入為主，在筆者后來看到真正的軟中斷時遲遲不能接受。至於軟中斷，可參考筆者另一篇博文。
當然把信號作為軟中斷也並非空穴來風，自然有其道理。首先，二者均是作為異步事件的處理方式。相對於操作系統來講，中斷作為異步方式存在已經眾人皆知，信號也不例外。但是信號相對的，是進程，而並非操作系統。說到這里，還有文獻說進程其實就是一個虛擬機，當然僅僅是廣義上的。那么從這個角度，信號像是把中斷擴展到更小的單元上的一個方式。
二、信號的實現方式
之前說到，信號是相對於進程存在的，在進程結構體task_struct結構中，信號相關的字段如下：
/* signal handlers */ struct signal_struct *signal; struct sighand_struct *sighand; /*屏蔽的信號*/ sigset_t blocked, real_blocked; sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */ /*掛起的信號*/ struct sigpending pending;
同一個進程中的所有線程共享一個signal_struct結構和sighand_struct結構，即這兩個結構都是進程相關的。而之前咱們也說過，Linux中線程在內核中同樣也是由task_struct代表的，下面幾個字段都是針對單個線程的，blocked字段記錄當前線程對信號的屏蔽情況，其類型早期是unsigned long類型，x86架構下就是32位，而現在升級成一個結構,其大小根據具體的信號數量確定，當前最大信號數量為64，以后還可能增加。
#define _NSIG 64 #define _NSIG_BPW 32 #define _NSIG_WORDS (_NSIG / _NSIG_BPW)
#define _NSIG 64
typedef struct { unsigned long sig[_NSIG_WORDS]; } sigset_t;
利用宏定義擴展位圖。每位對應一個信號，當某個信號對應的位為1時，表明該信號暫時被屏蔽，但這並不意味着信號不能產生，恰恰相反，信號依然可以被傳遞到當前線程，只是當前線程對信號不做處理，把信號阻塞或稱為掛起。待到該信號不被屏蔽了，那么該信號就可以得到處理了。掛起的信號記錄在pending字段，sigpending結構如下：
struct sigpending { struct list_head list; sigset_t signal; };
所有產生的信號都會被掛入這個list為表頭的鏈表中，這樣產生多個信號也不會丟失。signal還是做鏈表中信號標記，表明當前有哪些類型的信號未處理。鏈表中節點結構是sigqueue，只是需要注意，這里信號分為可靠信號和不可靠信號。二者的區別暫時不介紹，不可靠信號是早期支持的32個信號，從0-31，而可靠信號是大於31的信號。不可靠信號在投遞還是采取先前的方式，這是為了和之前保持兼容，即signal位圖中每個位代表一個信號，且一個信號只有一個sigqueue結構與之對應；當目前存在未處理的信號，再次受到這個信號就會忽略。而可靠信號位圖中也有與之對應的位，而且每收到一個信號就生成一個sigqueue結構掛入鏈表，sigqueue結構如下。
struct sigqueue { struct list_head list; int flags; siginfo_t info; struct user_struct *user; };
三、信號的處理
信號的處理時機主要由兩個：
1、從內核空間返回到用戶空間前夕。
2、進程位於內核空間被喚醒。
對於信號的處理主要由兩種處理方式，用戶可以對信號定義自己的處理函數，也可以采用系統默認的處理函數。在上述task_struct結構中有sighand_struct類型的字段 sighand,記錄了信號的處理函數
struct sighand_struct { atomic_t count; struct k_sigaction action[_NSIG]; spinlock_t siglock; wait_queue_head_t signalfd_wqh; };
第一個count應該指action表項的數目，第二個action和每一個信號對應，一個表項記錄一個信號的處理函數，當為0時表示采用系統默認的處理方式。注意，在signal_struct中並沒有設置鎖，源碼注釋解釋為一個共享的signal_struct必定有一個sighand_struct結構與之對應，對sighand_struct加鎖即可實現對signal_struct保護。
struct sigaction { __sighandler_t sa_handler; unsigned long sa_flags; sigset_t sa_mask; /* mask last for extensibility */ };
sa_handler指向一個處理函數，sa_flags記錄信號處理時的一些設置，可以有如下值
- SA_ONSTACK：表明要使用已經注冊的新棧，而不是使用進程自身的棧。
- SA_RESTART：設置在信號被中斷后重啟。
- SA_NOCLDSTOP：當該位設置時，在子進程stop時不產生SIGCHLD信號。
- SA_RESETHAND：當調用信號處理函數時，將信號的處理函數重置為缺省值SIG_DFL
- SA_RESTART：如果信號中斷了進程的某個系統調用，則系統自動啟動該系統調用
- SA_NODEFER ：一般情況下， 當信號處理函數運行時，內核將阻塞該給定信號。但是如果設置了 SA_NODEFER標記， 那么在該信號處理函數運行時，內核將不會阻塞該信號
sa_mask就代表在處理當前信號時，可以選擇性的屏蔽一些信號。相當於即時有效的。
在用戶空間可以調用signal和sigaction 函數給一個信號設置處理函數，SIGKILL和SIGSTOP信號除外，這兩個信號必須采用系統默認的函數。當一個信號被設置handler時，已經掛起的該類信號被丟棄。關於signal和sigaction的區別這里不做詳細介紹。對於sa_handler還可以是SIG_DFL和SIG_IGN兩個值，前者為0表示采取默認的處理方式。后者為1，表示忽略該信號。
參考資料：
LInux3.10.1內核源碼