Linux Signal实现代码分析

本文介绍了Linux信号处理的基本流程。关于信号处理的具体细节可以看ULK第三版第11章。

1. 基本数据结构

1.1 task_struct中信号相关的域

struct signal_struct * signal; // Pointer to the process's signal descriptor
struct sighand_struct * sighand; // Pointer to the process's signal handler descriptor
sigset_t blocked; // Mask of blocked signals
sigset_t real_blocked; // Temporary mask of blocked signals (used by the // rt_sigtimedwait( ) system call)
struct sigpending pending; // Data structure storing the private pending signals
unsigned long sas_ss_sp; // Address of alternative signal handler stack
size_t sas_ss_size; // Size of alternative signal handler stack
int (*) (void *) notifier; // Pointer to a function used by a device driver to block some // signals of the process
void * notifier_data; // Pointer to data that might be used by the notifier function // (previous field of table)
sigset_t * notifier_mask; // Bit mask of signals blocked by a device driver through a // notifier function
l signal和sighand都是指针，因为同一个进程中所有线程都共享同一个signal和同一个sighand。
l sas_ss_sp和sas_ss_size可以用于定义信号处理函数使用的栈，但不是必须。

1.2 sigpending与sigqueue

sigpending代表目前等待处理的信号的集合。
struct sigpending {
struct list_head list; // sigqueue链表
sigset_t signal; // 待处理的信号集合
};
sigpending结构体中，signal域保存所有待处理信号的集合，每个信号占一位。
list域指向sigqueue链表，对于非实时信号（1-31），每个信号在链表中只能拥有一个sigqueue；对于实时信号(32-63)，如果接收到多个相同的信号，每个信号都会在链表中拥有一个sigqueue。
struct sigqueue {
struct list_head list;
int flags;
siginfo_t info;
struct user_struct *user;
};
在每个task_struct结构中，有两个sigpending，分别是：
struct sigpending pending;
struct sigpending （struct signal_struct *signal）l->shared_pending;
之所以有两个sigpending，是由于Linux的线程和进程在内核中都是一个task_struct表示。所以penging域代表线程本身待处理的信号，signal->shared_pending代表线程所属进程的待处理信号。
sigqueue使用非常频繁，所以在内核中专门为其申请了kmem cache。可以在sigqueue_alloc和sigqueue_free中找到其分配、释放的实现代码。

2. 信号的发送

2.1 普通发送

最常用的发送信号的函数有kill, tkill和tgkill等等。其中tkill已经过时，被tgkill代替。
kill被用来给进程发消息；tgkill被用来给线程发消息。
kill
kill函数最终会调用kill_something_info：
struct siginfo info;
info.si_signo = sig;
info.si_errno = 0;
info.si_code = SI_USER;
info.si_pid = task_tgid_vnr(current);
info.si_uid = current->uid;
return kill_something_info(sig, &info, pid);

static int kill_something_info(int sig, struct siginfo *info, pid_t pid)
// 如果pid > 0，发信号给pid指定的进程
kill_pid_info(sig, info, find_vpid(pid));
// 否则，如果pid != -1 && pid != 0，发信号给由-pid指定的进程组
__kill_pgrp_info(sig, info, find_vpid(-pid);
// 否则，如果pid == 0，发信号给自己所属的进程组
__kill_pgrp_info(sig, info, task_pgrp(current));
// 否则 （pid == -1），发信号给除自己所属进程之外的其它所有进程
for_each_process(p) {
if (task_pid_vnr(p) > 1 && !same_thread_group(p, current))
group_send_sig_info(sig, info, p);
在以上所有情况下，最终都会调用send_signal，且改函数最后一个参数为1。
tgkill
tgkill有三个参数，tgid，pid和sig，其中tgid为进程，pid为线程。tgkill最终会调用do_tkill。
static int do_tkill(pid_t tgid, pid_t pid, int sig)
struct siginfo info;
info.si_signo = sig;
info.si_errno = 0;
info.si_code = SI_TKILL;
info.si_pid = task_tgid_vnr(current);
info.si_uid = current->uid;
。。。
specific_send_sig_info(sig, &info, p);
specific_send_sig_info最终会调用send_signal，且最后一个参数为0。
send_signal
有上面分析可以看出，无论是发信号给进程还是线程，最终都是调用send_signal函数，唯一区别在最后一个参数。
int send_signal(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t, int group)
struct sigpending *pending;
/* prepare_signal中,会调用ignore_signal判断信号是否需要被忽略,
如果是,则立即返回*/
if (!prepare_signal(sig, t))
return 0;
// 发消息给进程和线程的区别在这里
pending = group? &t->signal->shared_pending : &t->pending;
// 如果是非实时信号（<32），且该信号已经在等待队列中，则忽略
if (legacy_queue(pending, sig))
return 0;
// 注意如果传入的info指定为SEND_SIG_FORCED，那么不分配sigqueue
if (info != SEND_SIG_FORCED)
// 分配一个sigqueue
// 将sigqueue挂入sigpending队列
// 这里要注意除了SEND_SIG_FORCED之外还有几种特殊情况要考虑：
// SEND_SIG_NOINFO
// SEND_SIG_PRIV
// 通知signalfd
。。。
sigaddset(&pending->signal, sig); // 将signal加入pengding->signal位掩码中
complete_signal(sig, t, group);
complete_signal用于决定由哪个进程或线程处理该信号
static void complete_signal(int sig, struct task_struct *p, int group)
/* 如果指定的任务可以处理，则由该任务处理信号 */
if (wants_signal(sig, p))
t = p;
/* 如果是发给指定线程的信号，或者是单线程进程，因为不满足前一个判断条件，所以直接返回，等待do_signal函数的最终处理 */
else if (!group || thread_group_empty(p))
return;
else // 到这里，只能是发给进程的信号，且该进程是多线程的
/* 从下面代码可以看出，如果是发给进程的信号，可以唤醒任意一个正在等待该信号的线程 */
t = signal->curr_target;
while (!wants_signal(sig, t)) {
t = next_thread(t);
if (t == signal->curr_target)
return;
}
signal->curr_target = t;
// 判断是否是致命信号
if (sig_fatal(p, sig) &&
!(signal->flags & (SIGNAL_UNKILLABLE | SIGNAL_GROUP_EXIT)) &&
!sigismember(&t->real_blocked, sig) &&
(sig == SIGKILL || !tracehook_consider_fatal_signal(t, sig, SIG_DFL)))
if (!sig_kernel_coredump(sig))
。。。
// 唤醒需要处理该信号的任务
signal_wake_up(t, sig == SIGKILL);

2.2 强制发送

强制发送信号可以忽略信号处理的SIG_IGN标记，和stask_struct的blocked域。强制发送可由函数force_sig_specific完成，该函数最终调用force_sig_info。
int force_sig_info(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t)
。。。
// 如果信号处理方式是SIG_IGN，或者task_struct的blocked域包含了该信号，
// 则解除blocked域对该信号的屏蔽，并设置信号处理方式为SIG_DFL
// (default处理方式)。
action = &t->sighand->action[sig-1];
ignored = action->sa.sa_handler == SIG_IGN;
blocked = sigismember(&t->blocked, sig);
if (blocked || ignored) {
action->sa.sa_handler = SIG_DFL;
if (blocked) {
sigdelset(&t->blocked, sig);
recalc_sigpending_and_wake(t);
}
}
// 如果是default处理方式，清除SIGNAL_UNKILLABLE标记
if (action->sa.sa_handler == SIG_DFL)
t->signal->flags &= ~SIGNAL_UNKILLABLE;
// 发信号给指定线程
specific_send_sig_info(sig, info, t);
。。。

3. 信号的处理

信号的处理在do_signal函数中完成。当系统即将从内核回到用户空间时，会自动调用do_signal函数，此函数与平台相关。
do_signal函数的执行过程简单分析如下：
l 判断有没有信号等待处理
l 如果有，调用do_signal_pending函数
do_signal_pending函数也是平台相关的，简单分析下执行过程：
l 调用get_signal_to_deliver得到要处理的信号。
l 调用handle_signal处理信号
这里有几点需要注意的：
l 如果是SIG_DFL或者SIG_IGN的信号，在get_signal_to_deliver函数中就已经被处理了，不会被返回，返回的都是被登记了自定义处理函数的信号。
l handle_signal并没有真正执行信号处理函数，因为信号处理函数只能在用户空间执行，不能在内核空间执行。内核空间只是设置了用户空间的堆栈，这样当do_signal返回然后切换到用户空间时，就能自动执行信号处理函数了。而执行完之后，还需要再切换到内核空间，再由内核空间重新返回到正常的用户空间程序。
下面再看看get_signal_to_deliver函数的处理过程，对signal的默认处理都在这里完成：
l 调用dequeue_signal得到待处理的信号。
n 这里隐含了信号优先级的概念，因为里面最终调用了ffz函数从signal_pending::signal域得到值最小的那个信号。
n deque_signal会先从task_struct::pending中查找signal，然后再从task_struct::signal->shared_pending中查找signal。也就是说，先处理线程信号，再处理进程信号。从这里也可以看出，多线程进程中，任何一个线程都可能处理发给进程的信号。
l 如果是SIG_IGN和SIG_DEF等情况，直接处理，并回到上一步寻找下一个待处理的信号，没找到则返回0。
l 返回待处理的信号，此信号必定是用户登记了自定义处理函数的。

3.1 sigtimedwait

如果用户任务调用了sigtimedwait，这时处理信号的过程比较特殊。此时，该用户任务会查找当前是否有自己感兴趣的信号正等待处理。
l 如果有penging的信号，则立刻返回。用户任务可以继续执行。
l 如果没有pending的信号，该任务会挂起自身，等待信号的出现。当收到信号之后，在send_signal函数的signal_wake_up中会唤醒该挂起的任务。然后该任务会调用dequeue_signal将信号取出，防止在返回用户空间时信号被do_signal再次处理。
l sigtimedwait一般与sigmask配对使用，这样，能保证我们感兴趣的信号任何时候都不会被do_signal处理。
从以上分析可知，sigtimedwait具有优先权，它能阻塞住自己感兴趣的信号，阻止do_signal函数对这些被阻塞信号的处理。

4. 安装信号处理函数

信号处理函数的登记有两种，一种是老式的signal，另一种是sigaction。这两个函数最终都是调用do_sigaction。do_sigaction很简单，主要就是把k_sigaction结构放到task_struct的sighand->action中，当然还有一些小细节，比如对原先是SIG_IGN的信号的处理，等等。
注意信号处理函数是被安装到了进程，而不是线程。一个进程不管有多少线程，对指定信号都只有一个处理函数，这是因为同一进程的所有线程的task_struct结构都指向了同一个sighand结构。所以在do_sigaction中处理SIG_IGN时会有红字标注的这么一段代码：
if (sig_handler_ignored(sig_handler(t, sig), sig)) {
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, sig);
rm_from_queue_full(&mask, &t->signal->shared_pending);
do {
rm_from_queue_full(&mask, &t->pending);
t = next_thread(t);
} while (t != current);
}

5. 其它

5.1 调试信息打印

为方便调试，当收到某些信号时，Linux可以打印出当前CPU的一些信息，方便调试。
这些信号为：
SIGQUIT SIGILL SIGTRAP SIGABRT SIGFPE SIGSEGV
SIGBUS SIGSYS SIGXCPU SIGXFSZ SIGEMT_MASK
打印调试信息的开关可以在引导参数中指定：
__setup("print-fatal-signals=", setup_print_fatal_signals);
从引导参数中解析出print-fatal-signals变量后，打印开关被保存在全局变量print_fatal_signals中。
打印调试信息的函数为print_fatal_signal，里面调用了show_regs函数。
具体的调试信息打印在do_signal->get_signal_to_deliver中：
int get_signal_to_deliver(siginfo_t *info, struct k_sigaction *return_ka,
struct pt_regs *regs, void *cookie)
。。。
if (sig_kernel_coredump(signr)) {
if (print_fatal_signals)
print_fatal_signal(regs, info->si_signo);
do_coredump(info->si_signo, info->si_signo, regs);
}
。。。

5.2 信号的通知和屏蔽

Linux的信号处理中有一种机制，可以让线程或进程收到信号时通知某个回调函数，并由回调函数判断是否进入常规的信号处理。这通过task_struct结构中的这三个域完成：
int (*notifier)(void *priv); // 收到信号
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
在__dequeue_signal函数中，有如下代码：
static int __dequeue_signal(struct sigpending *pending, sigset_t *mask, siginfo_t *info)
。。。
if (current->notifier) {
if (sigismember(current->notifier_mask, sig)) {
if (!(current->notifier)(current->notifier_data)) {
clear_thread_flag(TIF_SIGPENDING);
return 0;
}
}
}
。。。
即当notifier函数返回0时，屏蔽此信号。
notifier的register和unregister在如下函数中实现：
void block_all_signals(int (*notifier)(void *priv), void *priv, sigset_t *mask);
void unblock_all_signals(void);
从以上分析还实现函数也可以看出，一个task_struct只能有一个notifier被登记，并且没有防止多个notifier被同时注册的机制。

5.3 信号处理函数的栈空间

一般情况下，信号处理函数使用的栈是线程的用户空间栈。但是，信号处理使用的栈也可以单独指定，这就是task_struct中有sas_ss_sp和sas_ss_size这两个域的原因。
信号处理专用栈可以有sys_sigaltstack指定，在handle_signal函数中，会调用get_sigframe。
如果设置了信号专用栈，get_sigframe会使用sas_ss_sp的值代替线程的用户空间栈。