信號(hào)是什么？

Linux 操作系統(tǒng)

首先說(shuō)，信號(hào)（signal）是什么？

• 信號(hào)（ signal ）本質(zhì)是 Linux 進(jìn)程間通信的一種機(jī)制，也叫軟中斷信號(hào)。既然是通信機(jī)制，那么就是傳遞信息用的，信號(hào)傳遞的信息很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)整數(shù)，一般用于配合系統(tǒng)管理任務(wù)，比如進(jìn)程的終結(jié)、恢復(fù)、熱加載等。

• 信號(hào)都用整數(shù)常量表示，命名以 SIG 為前綴，比如 SIGINT（ ctrl-c 觸發(fā)），SIGKILL（ kill -9 觸發(fā) ）。

信號(hào)一般怎么產(chǎn)生？

1. 由內(nèi)核產(chǎn)生，比如內(nèi)存錯(cuò)誤，除 0 等錯(cuò)誤，內(nèi)核通過(guò)信號(hào)通知到相應(yīng)的進(jìn)程；

2. 可以由其他進(jìn)程傳遞給目標(biāo)進(jìn)程，比如 kill 命令就是專(zhuān)門(mén)干這個(gè)事情的；

信號(hào)處理分為兩個(gè)階段：

1. 發(fā)送階段：內(nèi)核將信號(hào)（signal）放到對(duì)應(yīng)的 pending 隊(duì)列中；

2. 傳遞階段：也叫做處理階段，內(nèi)核將信號(hào)從 pending 隊(duì)列中取出來(lái)，并且進(jìn)行處理，一般是調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)（處理方式有三種：用戶(hù)定義、內(nèi)核默認(rèn)定義 SIG_DEL、忽略 SIG_IGN）；

signalfd 是什么？

• 了解了什么是信號(hào)（ signal ），那 signalfd 又會(huì)是什么呢？

• 是一個(gè)跟信號(hào)關(guān)聯(lián)的文件描述符，能夠以 io 的行為獲取到系統(tǒng)信號(hào)，屬性上來(lái)講 signalfd 也是一個(gè)匿名 fd 類(lèi)型。

signalfd 長(zhǎng)什么樣子？

• 奇伢按照 man signalfd 里面的例子，寫(xiě)了個(gè) demo，跑在 Linux 機(jī)器上，按照慣例去看下 fd 的樣子。

• 從這里可以得到簡(jiǎn)單的信息：

1. signal 用的匿名 inode ，signalfd 屬于匿名 fd 的一種；

2. 句柄關(guān)聯(lián)的重要信息就是 sigmask，通過(guò) /proc/${pid}/fdinfo/3 能看到這個(gè)值；

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signalfd 使用姿勢(shì)？

• 其實(shí)信號(hào)是很講究的，甚至有信號(hào)編程一說(shuō)，Linux 的 signalfd 為信號(hào)的處理提供了一種新的方法，統(tǒng)一到文件的 io 模式，契合一切接文件的理念。

• 系統(tǒng)調(diào)用：

• 該系統(tǒng)調(diào)用返回一個(gè)整數(shù)類(lèi)型 signalfd，這個(gè)句柄跟信號(hào)行為綁定，當(dāng)發(fā)生信號(hào)的時(shí)候，句柄觸發(fā)可讀事件。

• 第一個(gè)參數(shù)也可以傳入一個(gè)有效的信號(hào) fd 的句柄，如果傳入的是 -1 ，那么內(nèi)核會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)新的 fd 。

• 完整的代碼例子，在 Linux 機(jī)器上，通過(guò) man signalfd 就可以獲取到。

• 上面的例子，signalfd 沒(méi)有信號(hào)（沒(méi)有可讀事件）的時(shí)候會(huì)阻塞在read調(diào)用上，運(yùn)行效果如下：

• 可以看到每一次 ctrl + c 觸發(fā)的信號(hào)被捕捉到，并且打印出來(lái)。用文件 io 的方式來(lái)接收信號(hào)，牛。

• 怎么做到的呢？照例，我們淺析一下內(nèi)核的代碼，位于 fs/signalfd.c，這是一個(gè)很小的文件，正是這個(gè)文件完成了對(duì)信號(hào)“文件化”的封裝。

• 上面最重要的兩個(gè)調(diào)用：

1. sigprocmask ：設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)掩碼，把 SIGINT，SIGQUIT 處理屏蔽掉，關(guān)閉內(nèi)核默認(rèn)行為；

2. signalfd ：獲取到一個(gè)和信號(hào)關(guān)聯(lián)的“文件”句柄；

signalfd 原理剖析

環(huán)境聲明：

Linux 內(nèi)核版本 4.19

1、signalfd

看一下 signalfd 支持的接口調(diào)用：

• 通過(guò)這個(gè)可以知道 signalfd 支持的特性：

1. 支持 /proc/${pid}/fdinfo/xx 查看信息（ 對(duì)應(yīng) signalfd_show_fdinfo 函數(shù) ）；

2. 支持 read，close 調(diào)用 （ 對(duì)應(yīng) signalfd_read 函數(shù) ）；

3. 支持 poll 調(diào)用，支持 epoll 管理（ 對(duì)應(yīng) signalfd_poll 函數(shù) ）；

2、signalfd_poll

• 這個(gè)函數(shù)做的事情非常簡(jiǎn)單，就是把等待對(duì)象掛到當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)結(jié)構(gòu)的鏈表上。表頭是：current->sighand->signalfd_wqh ，這個(gè)就有意思了，這里直接掛到當(dāng)前進(jìn)程的結(jié)構(gòu)上。換句話(huà)說(shuō)，喚醒也是自此表頭開(kāi)始。

• 回憶一下 timerfd ，是掛在 timerfd_ctx->wqh 的字段上。這里的差別是因?yàn)樾盘?hào)是對(duì)進(jìn)程來(lái)說(shuō)的。

3、signalfd_read

• 讀一個(gè) signalfd 的操作非常簡(jiǎn)單，主要邏輯：

1. 查看當(dāng)前隊(duì)列中是否有信號(hào)，有的話(huà)就取出來(lái)，填充到用戶(hù)給的結(jié)構(gòu)體中；

2. 如果句柄是阻塞類(lèi)型的，在沒(méi)有信號(hào)的時(shí)候，會(huì)切走 cpu，等到有信號(hào)的時(shí)候切回來(lái)。如果是非阻塞類(lèi)型的，直接報(bào)錯(cuò)，返回 EAGAIN ；

• 簡(jiǎn)要的代碼注釋如下：

• 這里就能非常清晰的看到，進(jìn)程有信號(hào)的時(shí)候，signalfd 句柄就是可讀的。

signal 和 epoll 的配合

1、熟悉的 epoll_ctl

• epoll_ctl 注冊(cè) signalfd 的時(shí)候，調(diào)用 signalfd_poll ，signalfd_poll 會(huì)把 epoll 創(chuàng)建的 wait entry 掛到 current->sighand 上。喚醒的時(shí)候調(diào)用這個(gè) wait 鏈表的回調(diào)。

2、什么時(shí)候喚醒呢？

• 喚醒的操作其實(shí)不在 signalfd.c 文件中，而是在原有的信號(hào)軟中斷的流程中。

• 在內(nèi)核函數(shù) signalfd_notify ?中，會(huì)判斷進(jìn)程的 sighand->signalfd_wqh 是否非空，如果非空，說(shuō)明有人關(guān)注這個(gè)信號(hào)，那么就會(huì)通知到對(duì)應(yīng)的 waiter 。

• 為了知識(shí)的完整性，說(shuō)個(gè)點(diǎn)，signalfd_notify 其實(shí)在 timer 定時(shí)器的流程中也有調(diào)用，但跟我們本次主干沒(méi)啥關(guān)系，這里忽略。

• 信號(hào)的發(fā)送喚醒的簡(jiǎn)要示意圖：

• 所有的信號(hào)發(fā)送都會(huì)調(diào)用到send_signal，在這個(gè)里面實(shí)現(xiàn)了喚醒sighand->signalfd_wqh鏈表的操作。從而使得 epoll 感知到 signalfd 可讀了（因?yàn)閬?lái)信號(hào)了），使得 epoll 從 epoll_wait 出喚醒，然后調(diào)用 read 操作，把信號(hào)的相關(guān)信息從句柄中讀出來(lái)。

• 劃重點(diǎn)：?jiǎn)拘言谛盘?hào)發(fā)送的過(guò)程。

• 總結(jié)

• 信號(hào)能夠像文件一樣 read 出來(lái)，這種優(yōu)雅的信號(hào)處理方式得益于 signalfd 的封裝；

• 信號(hào)是掛在在進(jìn)程 task_struct 結(jié)構(gòu)體上的，信號(hào)隊(duì)列非空的時(shí)候 signalfd 句柄可讀；

• 和 epoll 池的配合同樣還是老套路，epoll_ctl 注冊(cè)的時(shí)候調(diào)用 .poll ?接口掛載 epoll 的 wait entry 到 sighand->signalfd_wqh 之上，信號(hào)發(fā)送時(shí)調(diào)用 signalfd_notify ?喚醒 epoll ；

• signalfd 也是一種匿名 fd 類(lèi)型；