Linux fd 系列|信号编程(signal)竟能这样做?涨姿势

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2021-08-29 19:48


坚持思考,就会很酷


信号是什么?


平台声明

Linux 操作系统

首先说,信号(signal)是什么?

信号( signal )本质是 Linux 进程间通信的一种机制,也叫软中断信号。既然是通信机制,那么就是传递信息用的,信号传递的信息很简单,就是一个整数,一般用于配合系统管理任务,比如进程的终结、恢复、热加载等。

信号都用整数常量表示,命名以 SIG 为前缀,比如 SIGINT( ctrl-c 触发),SIGKILL( kill -9 触发 )。

信号一般怎么产生?

  • 由内核产生,比如内存错误,除 0 等错误,内核通过信号通知到相应的进程;
  • 可以由其他进程传递给目标进程,比如 kill 命令就是专门干这个事情的;

信号处理分为两个阶段

  • 发送阶段:内核将信号(signal)放到对应的 pending 队列中;
  • 传递阶段:也叫做处理阶段,内核将信号从 pending 队列中取出来,并且进行处理,一般是调用相应的回调函数(处理方式有三种:用户定义、内核默认定义 SIG_DEL、忽略 SIG_IGN);

signalfd 是什么?


了解了什么是信号( signal ),那 signalfd 又会是什么呢?

是一个跟信号关联的文件描述符,能够以 io 的行为获取到系统信号,属性上来讲 signalfd 也是一个匿名 fd 类型。


signalfd 长什么样子?


奇伢按照 man signalfd 里面的例子,写了个 demo,跑在 Linux 机器上,按照惯例去看下 fd 的样子。

root@ubuntu:~# ll /proc/15445/fd

lrwx------ 1 root root 64 Aug 24 16:42 3 -> anon_inode:[signalfd]

root@ubuntu:~# cat /proc/15445/fdinfo/3 
pos: 0
flags: 02
mnt_id: 11
sigmask: 0000000000000006

从这里可以得到简单的信息:

  1. signal 用的匿名 inode ,signalfd 属于匿名 fd 的一种;
  2. 句柄关联的重要信息就是 sigmask,通过 /proc/${pid}/fdinfo/3 能看到这个值;

signalfd 使用姿势?


其实信号是很讲究的,甚至有信号编程一说,Linux 的 signalfd 为信号的处理提供了一种新的方法,统一到文件的 io 模式,契合一切接文件的理念

系统调用:

#include <sys/signalfd.h>

int signalfd(int fd, const sigset_t *mask, int flags);

该系统调用返回一个整数类型 signalfd,这个句柄跟信号行为绑定,当发生信号的时候,句柄触发可读事件。

第一个参数也可以传入一个有效的信号 fd 的句柄,如果传入的是 -1 ,那么内核会自动创建一个新的 fd 。

完整的代码例子,在 Linux 机器上,通过 man signalfd 就可以获取到。

// 信号清零
sigemptyset(&mask);

// 添加信号到掩码集
sigaddset(&mask, SIGINT);
sigaddset(&mask, SIGQUIT);

// 设置该进程为对应的信号集的内容(当前已经的信号集合做并集、交集、覆盖)
// 这行代码才是真正的信号设置;
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL)

// 创建 signalfd 句柄(绑定信号)
sfd = signalfd(-1, &mask, 0);

for (;;) {
    // 读取 signalfd 数据(数据代表信号)
    s = read(sfd, &fdsi, sizeof(struct signalfd_siginfo));
    // ...
    // 信号的逻辑处理
}

上面的例子,signalfd 没有信号(没有可读事件)的时候会阻塞在 read 调用上,运行效果如下:

root@ubuntu:~/temp# ./a.out 
^CGot SIGINT
^CGot SIGINT
^CGot SIGINT

可以看到每一次 ctrl + c 触发的信号被捕捉到,并且打印出来。用文件 io 的方式来接收信号,牛。

怎么做到的呢?照例,我们浅析一下内核的代码,位于 fs/signalfd.c,这是一个很小的文件,正是这个文件完成了对信号“文件化”的封装。

上面最重要的两个调用:

  1. sigprocmask :设置当前进程的信号掩码,把 SIGINTSIGQUIT 处理屏蔽掉,关闭内核默认行为;
  2. signalfd :获取到一个和信号关联的“文件”句柄;

signalfd 原理剖析


环境声明

Linux 内核版本 4.19


 1   signalfd

SYSCALL_DEFINE3(signalfd, int, ufd, sigset_t __user *, user_mask, size_t, sizemask)
{
    return do_signalfd4(ufd, &mask, 0);
}

static int do_signalfd4(int ufd, sigset_t *mask, int flags)
{
    struct signalfd_ctx *ctx;

    // 如果是 -1,内核创建;
    if (ufd == -1) {
        // 
        ctx->sigmask = *mask;
        // 获取一个匿名句柄;
        ufd = anon_inode_getfd("[signalfd]", &signalfd_fops, ctx, O_RDWR | (flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK)));
    } else {
        // 校验传入的句柄是否合法
        struct fd f = fdget(ufd);
        ctx = f.file->private_data;
        if (f.file->f_op != &signalfd_fops) {
            return -EINVAL;
        }   
        // 覆盖设置新的值
        ctx->sigmask = *mask;
        // 唤醒阻塞在当前进程的信号等待队列
        wake_up(&current->sighand->signalfd_wqh);
    }   
    return ufd;
}

看一下 signalfd 支持的接口调用:

static const struct file_operations signalfd_fops = { 
    .show_fdinfo    = signalfd_show_fdinfo,
    .poll       = signalfd_poll,
    .read       = signalfd_read,
    // ...
};

通过这个可以知道 signalfd 支持的特性:

  • 支持 /proc/${pid}/fdinfo/xx 查看信息( 对应 signalfd_show_fdinfo 函数 );
  • 支持 read,close 调用 ( 对应 signalfd_read 函数 );
  • 支持 poll 调用,支持 epoll 管理( 对应 signalfd_poll 函数 );

 2   signalfd_poll


这个函数做的事情非常简单,就是把等待对象挂到当前进程的信号结构的链表上。表头是:current->sighand->signalfd_wqh ,这个就有意思了,这里直接挂到当前进程的结构上。换句话说,唤醒也是自此表头开始。

回忆一下 timerfd ,是挂在 timerfd_ctx->wqh 的字段上。这里的差别是因为信号是对进程来说的。


 3   signalfd_read


读一个 signalfd 的操作非常简单,主要逻辑:

  1. 查看当前队列中是否有信号,有的话就取出来,填充到用户给的结构体中;
  2. 如果句柄是阻塞类型的,在没有信号的时候,会切走 cpu,等到有信号的时候切回来。如果是非阻塞类型的,直接报错,返回 EAGAIN ;

简要的代码注释如下:

static ssize_t signalfd_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    // read 数据的存放结构体
    siginfo = (struct signalfd_siginfo __user *) buf;
    do {
        // 取出信号队列中的一个信号,填充好 info 结构体
        ret = signalfd_dequeue(ctx, &info, nonblock);
        // 循环操作,填充用户指定个数的信号
        ret = signalfd_copyinfo(siginfo, &info);
        // ...
    } while (--count);
    return total ? total: ret;
}

static ssize_t signalfd_dequeue(struct signalfd_ctx *ctx, siginfo_t *info, int nonblock)
{
    // 取出一个信号
    ret = dequeue_signal(current, &ctx->sigmask, info);
    // 如果没有 pending 的信号,就看是否是非阻塞请求,非阻塞请求就报错跳出;
    // 阻塞请求就继续往后走

    // 把当前位置加入到信号唤醒地方(这样后续有信号的时候,能够立马切回来)
    add_wait_queue(&current->sighand->signalfd_wqh, &wait);
    for (;;) {
        // 取信号
        ret = dequeue_signal(current, &ctx->sigmask, info);
        // 判断是否还有 pending 的信号;
        if (signal_pending(current)) {
        }
        // 让出 cpu,调度切走
        schedule();
    }

    // 把当前进程从 signalfd_wqh 摘掉
    remove_wait_queue(&current->sighand->signalfd_wqh, &wait);
}

这里就能非常清晰的看到,进程有信号的时候,signalfd 句柄就是可读的


signal 和 epoll 的配合



 1   熟悉的 epoll_ctl


epoll_ctl 注册 signalfd 的时候,调用 signalfd_pollsignalfd_poll 会把 epoll 创建的 wait entry 挂到 current->sighand 上。唤醒的时候调用这个 wait 链表的回调。


 2   什么时候唤醒呢?


唤醒的操作其实不在 signalfd.c 文件中,而是在原有的信号软中断的流程中。

在内核函数 signalfd_notify  中,会判断进程的 sighand->signalfd_wqh 是否非空,如果非空,说明有人关注这个信号,那么就会通知到对应的 waiter 。

为了知识的完整性,说个点,signalfd_notify 其实在 timer 定时器的流程中也有调用,但跟我们本次主干没啥关系,这里忽略。

信号的发送唤醒的简要示意图:



所有的信号发送都会调用到 send_signal ,在这个里面实现了唤醒 sighand->signalfd_wqh 链表的操作。从而使得 epoll 感知到 signalfd 可读了(因为来信号了),使得 epoll 从 epoll_wait 出唤醒,然后调用 read 操作,把信号的相关信息从句柄中读出来。

signalfd_notify
    -> wake_up (唤醒等待队列,也就是 epoll)
        -> ep_poll_callback

划重点:唤醒在信号发送的过程。


总结


  1. 信号能够像文件一样 read 出来,这种优雅的信号处理方式得益于 signalfd 的封装
  2. 信号是挂在在进程 task_struct 结构体上的,信号队列非空的时候 signalfd 句柄可读
  3. 和 epoll 池的配合同样还是老套路,epoll_ctl 注册的时候调用 .poll  接口挂载 epoll 的 wait entry 到 sighand->signalfd_wqh 之上,信号发送时调用 signalfd_notify  唤醒 epoll ;
  4. signalfd 也是一种匿名 fd 类型

后记


一切皆文件,又学到一个句柄类型。

~完~

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