Linux Signal实现代码分析

http://blog.csdn.net/walkingman321/article/details/6167435

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

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。

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。

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);

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);

       。。。

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。

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);

              }

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);

       }

       。。。

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。

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。