Linux signal 那些事儿（2）【转】

转自：http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-4064447.html

上一篇博文，基本算是给glibc的signal函数翻了个身。现在glibc的signal基本修正了传统的UNIX的一些弊端，我们说signal并没有我们想象的那么不堪。但是signal也有不尽人意的地方。比如信号处理期间，我们期望屏蔽某些信号，而不仅仅是屏蔽自身，这时候signal就不行了。信号既然是进程间通信IPC的一种机制，我们期望获取更多的信息，而不仅仅是signo，这时候signal/kill这个机制就基本不行了。
   
上面所说的都是signal的一些毛病，但是这些都不是致命的，致命的问题在于老的signal机制的不可靠。信号分成可靠性信号和非可靠性信号，并不是说用sigaction安装，用sigqueue发送的信号就是可靠性性信号，用signal安装，kill/tkill发送的信号就是非可靠性信号。这种理解是错误的。这在Linux环境进程间通信（二）：信号（上）一文中讲的非常清楚了。
    信号值位于[SIGRTMIN,SIGRTMAX] 之间的信号，就是可靠信号，位于[SIGHUP,SIGSYS]之间信号，都是非可靠性信号，与安装函数是signal还是sigaction无关，与发送函数是kill还是sigqueue无关。

   
1～31之间的所有信号都称为不可靠信号，原因就在于信号不可排队，如果kernel发现同一个信号已经有挂起信号，当前信号就会被丢弃，就好象从来没有被发送过一样，无法引起信号的传递，也无法让进程执行信号处理函数。这种实现的机理，造成了这些信号的不可靠。这正所谓：我本将心向明月，奈何明月照沟渠。
    为了解决这个问题，Linux引入了实时信号,信号值在[32~64]区间内，或者称之为可靠信号。这种信号，kernel不会ignore，哪怕已经有了好多同一个信号，kernel会把新收到信号放入queue之中，等待被传递出去。
    空口说白话，不是我们的风格，我现在用代码证明之。我参考了Linux Programming Interface 一书的例子，写了两个程序，一个是signal_receiver ,一个是signal_sender.
    先看signal_receiver的code：

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ cat signal_receiver.c
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <signal.h>
6. #include <string.h>
7. #include <errno.h>
8. static int sig_cnt[NSIG];
9. static volatile sig_atomic_t get_SIGINT = 0;
10. void handler(int signo)
11. {
12. if(signo == SIGINT)
13. get_SIGINT = 1;
14. else
15. sig_cnt[signo]++;
16. }
17. int main(int argc,char* argv[])
18. {
19. int i = 0;
20. sigset_t blockall_mask ;
21. sigset_t pending_mask ;
22. sigset_t empty_mask ;
23. printf("%s:PID is %ld\n",argv[0],getpid());
24. for(i = 1; i < NSIG; i++)
25. {
26. if(i == SIGKILL || i == SIGSTOP)
27. continue;
28. if(signal(i,&handler) == SIG_ERR)
29. {
30. fprintf(stderr,"signal for signo(%d) failed (%s)\n",i,strerror(errno));
31. //            return -1;
32. }
33. }
34. if(argc > 1)
35. {
36. int sleep_time = atoi(argv[1]);
37. sigfillset(&blockall_mask);
38. if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&blockall_mask,NULL) == -1)
39. {
40. fprintf(stderr,"setprocmask to block all signal failed(%s)\n",strerror(errno));
41. return -2;
42. }
43. printf("I will sleep %d second\n",sleep_time);
44. sleep(sleep_time);
45. if(sigpending(&pending_mask) == -1)
46. {
47. fprintf(stderr,"sigpending failed(%s)\n",strerror(errno));
48. return -2;
49. }
50. for(i = 1 ; i < NSIG ; i++)
51. {
52. if(sigismember(&pending_mask,i))
53. printf("signo(%d) :%s\n",i,strsignal(i));
54. }
55. sigemptyset(&empty_mask);
56. if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&empty_mask,NULL) == -1)
57. {
58. fprintf(stderr,"setprocmask to release all signal failed(%s)\n",strerror(errno));
59. return -3;
60. }
61. }
62. while(!get_SIGINT)
63. continue ; //why not use pause ? I will explain later
64. for(i = 1; i < NSIG ; i++)
65. {
66. if(sig_cnt[i] != 0 )
67. {
68. printf("%s:signal %d caught %d time%s\n",
69. argv[0],i,sig_cnt[i],(sig_cnt[i] >1)?"s":"");
70. }
71. }
72. return 0;
73. }

因为我们知道，SIGKILL和SIGSTOP这两个信号是不能够定制自己的信号处理函数的，当然也不能block，原因很简单，OS或者说root才是final
boss，必须有稳定终结进程的办法。假如所有的信号，进程都能ignore，OS如何终结进程？
    这个signal_receiver会等待所有的信号，接收到某信号后，该信号的捕捉到的次数++，SIGINT会终结进程，进程退出前，会打印信号的捕捉统计。
   
如果进程有参数，表示sleep时间，signal_receiver会先屏蔽所有信号（当然，SIGKILL和SIGSTOP并不能被真正屏蔽）。然后sleep

一段时间后，取消信号屏蔽。我们可以想象，在信号屏蔽期间，我们收到的信号，都会在kernel记录下来，但是并不能delivery，这种信号称之挂起信号。如果在sleep期间或者说信号屏蔽期间，我收到SIGUSR1

这个信号1次和10000次，对内核来说，都是没差别的，因为后面的9999次都会被ignore掉。SIGUSR1属于不可靠信号，位图表示有没有挂起信号，有的话，直接ignore，没有的话，则记录在kernel。
    然后我们看下，signal_sender：

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ cat signal_sender.c
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
4. #include <getopt.h>
5. #include <signal.h>
6. #include <string.h>
7. #include <errno.h>
8. void usage()
9. {
10. fprintf(stderr,"USAGE:\n");
11. fprintf(stderr,"--------------------------------\n");
12. fprintf(stderr,"signal_sender pid signo times\n");
13. }
14. int main(int argc,char* argv[])
15. {
16. pid_t pid = -1 ;
17. int signo = -1;
18. int times = -1;
19. int i ;
20. if(argc < 4 )
21. {
22. usage();
23. return -1;
24. }
25. pid = atol(argv[1]);
26. signo = atoi(argv[2]);
27. times = atoi(argv[3]);
28. if(pid <= 0 || times < 0 || signo <1 ||signo >=64 ||signo == 32 || signo ==33)
29. {
30. usage();
31. return -1;
32. }
33. printf("pid = %ld,signo = %d,times = %d\n",pid,signo,times);
34. for( i = 0 ; i < times ; i++)
35. {
36. if(kill(pid,signo) == -1)
37. {
38. fprintf(stderr, "send signo(%d) to pid(%ld) failed,reason(%s)\n",signo,pid,strerror(errno));
39. return -2;
40. }
41. }
42. fprintf(stdout,"done\n");
43. return 0;
44. }

signal_sender需要三个参数，pid signo
times，就是向拿个进程发送什么信号多少次的意思。如 signal_sender 1234 10
10000,含义是向pid=1234的 进程发送10号信号（SIGUSR1），连续发送10000次。
    有这两个进程，我们就可以实验了  。

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver &
2. [1] 23416
3. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver:PID is 23416
4. signal for signo(32) failed (Invalid argument)
5. signal for signo(33) failed (Invalid argument)
6. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 23416 10 10000
7. pid = 23416,signo = 10,times = 10000
8. done
9. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ sleep 20 ; ./signal_sender 23416 2 1
10. pid = 23416,signo = 2,times = 1
11. done
12. ./signal_receiver:signal 10 caught 2507 times
13. [1]+ Done ./signal_receiver

signal_receiver等待signal的来临，singal_sender向其发送SIGUSR1 10000次，然后sleep
20秒，确保sig_receiver处理完成。但是我们发现，其实一共才caught信号SIGUSR1
 2507次，7000多次的发送都丢失了，所以我们称SIGUSR1 是非可靠信号，存在丢信号的问题。
    俗话说不怕不识货，就怕货比货 ，我们让可靠信号参战，看下效果：

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver &
2. [1] 26067
3. ./signal_receiver:PID is 26067
4. signal for signo(32) failed (Invalid argument)
5. signal for signo(33) failed (Invalid argument)
6. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 26067 10 10000
7. pid = 26067,signo = 10,times = 10000
8. done
9. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 26067 36 10000
10. pid = 26067,signo = 36,times = 10000
11. done
12. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 26067 2 1
13. pid = 26067,signo = 2,times = 1
14. done
15. ./signal_receiver:signal 10 caught 2879 times
16. ./signal_receiver:signal 36 caught 10000 times
17. [1]+ Done ./signal_receiver

可靠性信号36，发送10000次，signal_receiver全部收到，不可靠性信号10，共收到2879次。这个数字是不可预期的，取决于内核进程的调度。
    这个如果还不够直观，我们在比较一次，让signal_receiver先屏蔽所有信号一段时间，如30s，然后解除屏蔽。

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver 30 &
2. [1] 27639
3. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver:PID is 27639
4. signal for signo(32) failed (Invalid argument)
5. signal for signo(33) failed (Invalid argument)
6. I will sleep 30 second
7. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 27639 10 10000
8. pid = 27639,signo = 10,times = 10000
9. done
10. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 27639 36 10000
11. pid = 27639,signo = 36,times = 10000
12. done
13. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$
14. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ signo(10) :User defined signal 1
15. signo(36) :Real-time signal 2
16. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 27639 2 1
17. pid = 27639,signo = 2,times = 1
18. done
19. ./signal_receiver:signal 10 caught 1 time
20. ./signal_receiver:signal 36 caught 10000 times
21. [1]+ Done ./signal_receiver 30

这个比较反差比较大，不可靠signal10 共收到1次，可靠性信号36
共caught到10000次。原因就在于sigprocmask将所有的信号都屏蔽了，造成所有的信号都不能delivery。对1～31的信号，内核发现已经有相应的挂起信号，则ignore到新来的信号。但是可靠性信号则不同，会添加队列中去，尽管已经有了相同的信号。需要注意的是，signal
pending有上限，并不能无限制的发：

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ulimit -a
2. core file size (blocks, -c) 0
3. data seg size (kbytes, -d) unlimited
4. scheduling priority (-e) 0
5. file size (blocks, -f) unlimited
6. pending signals (-i) 15408
7. max locked memory (kbytes, -l) 64
8. max memory size (kbytes, -m) unlimited
9. open files (-n) 1024
10. pipe size (512 bytes, -p) 8
11. POSIX message queues (bytes, -q) 819200
12. real-time priority (-r) 0
13. stack size (kbytes, -s) 8192
14. cpu time (seconds, -t) unlimited
15. max user processes (-u) 15408
16. virtual memory (kbytes, -v) unlimited
17. file locks (-x) unlimited

我发送100万，最终会收到15408个可靠信号：

1. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver 30 &
2. [1] 16488
3. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_receiver:PID is 16488
4. signal for signo(32) failed (Invalid argument)
5. signal for signo(33) failed (Invalid argument)
6. I will sleep 30 second
7. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 16488 36 1000000
8. pid = 16488,signo = 36,times = 1000000
9. done
10. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ signo(36) :Real-time signal 2
11. manu@manu-hacks:~/code/c/self/signal$ ./signal_sender 16488 2 1
12. pid = 16488,signo = 2,times = 1
13. done
14. ./signal_receiver:signal 36 caught 15408 times
15. [1]+ Done ./signal_receiver 30

内核是怎么做到的？
    
    上图是内核中signal相关的数据结构。其中task_struct中有sigpending类型的成员变量pending

1. struct task_struct {
2. volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
3. void *stack;
4. atomic_t usage;
5. unsigned int flags; /* per process flags, defined below */
6. unsigned int ptrace;
7. ...
8. ...
9. /* signal handlers */
10. struct signal_struct *signal;
11. struct sighand_struct *sighand;
12. sigset_t blocked, real_blocked;
13. sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
14. struct sigpending pending;
15. ...
16. }
17. struct signal_struct {
18. atomic_t     sigcnt;
19. atomic_t     live;
20. int     nr_threads;
21. ...
22. ...
23. /* shared signal handling: */
24. struct sigpending    shared_pending;
25. ...
26. }
27. struct sigpending {
28. struct list_head list;
29. sigset_t signal;
30. };
31. #define _NSIG        64
32. #ifdef __i386__
33. # define _NSIG_BPW    32
34. #else
35. # define _NSIG_BPW    64
36. #endif
37. #define _NSIG_WORDS    (_NSIG / _NSIG_BPW)
38. typedef unsigned long old_sigset_t;        /* at least 32 bits */
39. typedef struct {
40. unsigned long sig[_NSIG_WORDS];
41. } sigset_t;

task_struct中的pending，和signal->shared_pending都是记录挂起信号的数据结构，读到此处，你可能会迷惑，为何有两个这样的结构。这牵扯到thread与信号的一些问题，我们此处简化，就认为是一个就好，后面讲述线程与信号关系的时候，再展开。
      
   
我们看到了，kill也好，tkill也罢，最终都走到了_send_signal.当然了kill系统调用根据pid的情况会分成多个分支如pid
>0 pid = 0 pid=-1;pid < 0&pid !=-1,总之了，我的图只绘制了pid >0
的分支。tkill也有类似情况。
    那么kernel是怎么做到的非可靠信号和可靠信号的的这些差别的呢？

1. static int __send_signal(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t,
2. int group, int from_ancestor_ns)
3. {
4. struct sigpending *pending;
5. struct sigqueue *q;
6. int override_rlimit;
7. int ret = 0, result;
8. assert_spin_locked(&t->sighand->siglock);
9. result = TRACE_SIGNAL_IGNORED;
10. if (!prepare_signal(sig, t,
11. from_ancestor_ns || (info == SEND_SIG_FORCED)))
12. goto ret;
13. pending = group ? &t->signal->shared_pending : &t->pending;
14. /*
15. * Short-circuit ignored signals and support queuing
16. * exactly one non-rt signal, so that we can get more
17. * detailed information about the cause of the signal.
18. */
19. result = TRACE_SIGNAL_ALREADY_PENDING;
20. if (legacy_queue(pending, sig)) //如果是低于32的信号，并且已经在pending中出现了的信号，就直接返回了，ignore
21. goto ret;
22. result = TRACE_SIGNAL_DELIVERED;
23. /*
24. * fast-pathed signals for kernel-internal things like SIGSTOP
25. * or SIGKILL.
26. */
27. if (info == SEND_SIG_FORCED)
28. goto out_set;
29. /*
30. * Real-time signals must be queued if sent by sigqueue, or
31. * some other real-time mechanism. It is implementation
32. * defined whether kill() does so. We attempt to do so, on
33. * the principle of least surprise, but since kill is not
34. * allowed to fail with EAGAIN when low on memory we just
35. * make sure at least one signal gets delivered and don't
36. * pass on the info struct.
37. */
38. if (sig < SIGRTMIN)
39. override_rlimit = (is_si_special(info) || info->si_code >= 0);
40. else
41. override_rlimit = 0;

      //分配sigqueue结构，并且链入到相应的pending。

1. q = __sigqueue_alloc(sig, t, GFP_ATOMIC | __GFP_NOTRACK_FALSE_POSITIVE,
2. override_rlimit);
3. if (q) {
4. list_add_tail(&q->list, &pending->list);
5. switch ((unsigned long) info) {
6. case (unsigned long) SEND_SIG_NOINFO:
7. q->info.si_signo = sig;
8. q->info.si_errno = 0;
9. q->info.si_code = SI_USER;
10. q->info.si_pid = task_tgid_nr_ns(current,
11. task_active_pid_ns(t));
12. q->info.si_uid = from_kuid_munged(current_user_ns(), current_uid());
13. break;
14. case (unsigned long) SEND_SIG_PRIV:
15. q->info.si_signo = sig;
16. q->info.si_errno = 0;
17. q->info.si_code = SI_KERNEL;
18. q->info.si_pid = 0;
19. q->info.si_uid = 0;
20. break;
21. default:
22. copy_siginfo(&q->info, info);
23. if (from_ancestor_ns)
24. q->info.si_pid = 0;
25. break;
26. }
27. userns_fixup_signal_uid(&q->info, t);
28. } else if (!is_si_special(info)) {
29. if (sig >= SIGRTMIN && info->si_code != SI_USER) {
30. /*
31. * Queue overflow, abort. We may abort if the
32. * signal was rt and sent by user using something
33. * other than kill().
34. */
35. result = TRACE_SIGNAL_OVERFLOW_FAIL;
36. ret = -EAGAIN;
37. goto ret;
38. } else {
39. /*
40. * This is a silent loss of information. We still
41. * send the signal, but the *info bits are lost.
42. */
43. result = TRACE_SIGNAL_LOSE_INFO;
44. }
45. }
46. out_set:
47. signalfd_notify(t, sig);
48. sigaddset(&pending->signal, sig);  //加入位图
49. complete_signal(sig, t, group);
50. ret:
51. trace_signal_generate(sig, info, t, group, result);
52. return ret;
53. }
54. static inline int legacy_queue(struct sigpending *signals, int sig)
55. {
56. return (sig < SIGRTMIN) && sigismember(&signals->signal, sig); //是不可靠信号，并且该信号已经存在挂起信号，

那么15408的限制是在哪里呢？在__sigqueue_alloc 里面。

1. static struct sigqueue *
2. __sigqueue_alloc(int sig, struct task_struct *t, gfp_t flags, int override_rlimit)
3. {
4. struct sigqueue *q = NULL;
5. struct user_struct *user;
6. /*
7. * Protect access to @t credentials. This can go away when all
8. * callers hold rcu read lock.
9. */
10. rcu_read_lock();
11. user = get_uid(__task_cred(t)->user);
12. atomic_inc(&user->sigpending);    //计数器+1
13. rcu_read_unlock();
14. if (override_rlimit ||
15. atomic_read(&user->sigpending) <=
16. task_rlimit(t, RLIMIT_SIGPENDING)) {
17. q = kmem_cache_alloc(sigqueue_cachep, flags);
18. } else {
19. print_dropped_signal(sig);
20. }
21. if (unlikely(q == NULL)) {
22. atomic_dec(&user->sigpending);
23. free_uid(user);
24. } else {
25. INIT_LIST_HEAD(&q->list);
26. q->flags = 0;
27. q->user = user;
28. }
29. return q;
30. }

我们看到，legacy_queue就是用来判断是否是非可靠信号（signo低于32），并且相同signo值已经存在在挂起信号之中，如果是，直接返回。
     而对于可靠信号，会分配一个sigqueue的结构，然后讲sigqueue链入到sigpending结构的中链表中。从而就不会丢失信号。当然对pending信号的总数作了限制，限制最多不可超过15408.当然了这个值是可以修改的：
    

参考文献：
1 Linux programming interface
2 深入理解linux内核
3 linux kernel 3.8.0 内核源码