Linux內(nèi)核中信號(hào)詳解

• 1 信號(hào)的角色

  • 1.1 x86/64架構(gòu)信號(hào)定義

  • 1.2 ARM架構(gòu)信號(hào)定義

  • 1.3 RISC-V架構(gòu)信號(hào)定義

  • 1.4 信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用

  • 1.5 信號(hào)工作原理

• 2 信號(hào)的響應(yīng)行為

• 3 POSIX信號(hào)和多線程程序

• 4 與信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

  • 4.2.1 x86/Linux2.6.11的定義

  • 4.2.2 x86-64/Linux2.6.11的定義

  • 4.2.3 x86-64/linux5.18.18的定義

  • 4.2.4 ARM/linux5.18.18的定義

  • 4.2.5 RISC-V/linux6.7

  • 4.1 信號(hào)描述符和信號(hào)處理程序描述符

  • 4.2 sigaction數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

  • 4.3 掛起信號(hào)隊(duì)列

• 5 信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作函數(shù)

  • 5.1 x86架構(gòu)

  • 5.2 ARM和RISC-V架構(gòu)

Unix最早引入了信號(hào)機(jī)制，允許用戶進(jìn)程間進(jìn)行交互；內(nèi)核也使用信號(hào)通知進(jìn)程某些系統(tǒng)事件。信號(hào)機(jī)制已經(jīng)存在了30年，期間只有一些細(xì)微的變化。

我們首先介紹Linux內(nèi)核如何處理信號(hào)，其次討論允許進(jìn)程交換信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用。

1 信號(hào)的角色

信號(hào)是發(fā)送給進(jìn)程，或一組進(jìn)程的非常短的消息。通常，可能僅發(fā)送一個(gè)表示信號(hào)的編碼。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)沒(méi)有參數(shù)等其它信息。

信號(hào)的編碼，在Linux中使用前綴SIG的宏表示。如前面提到的SIGCHLD宏，其展開的值是17，當(dāng)子進(jìn)程停止或終止時(shí)，發(fā)送給父進(jìn)程的信號(hào)。SIGSEGV，等于11，當(dāng)進(jìn)程發(fā)生非法內(nèi)存引用時(shí)發(fā)送給進(jìn)程的信號(hào)。

信號(hào)兩個(gè)主要作用：

1. 使進(jìn)程意識(shí)到發(fā)生了某個(gè)事件
2. 讓進(jìn)程執(zhí)行信號(hào)處理程序

當(dāng)然，這兩個(gè)目的不是相互排斥的，因?yàn)橥ǔ＿M(jìn)程必須對(duì)某些事件做出響應(yīng)（如執(zhí)行服務(wù)例程）。

1.1 x86/64架構(gòu)信號(hào)定義

表11-1列出了Linux/i386的前31個(gè)信號(hào)（Unix系統(tǒng)定義的信號(hào)，x86架構(gòu)，Linux2.6.11，linux后續(xù)版本中32/64位的信號(hào)定義統(tǒng)一到了一個(gè)文件中）。某些信號(hào)，比如SIGCHLD或SIGSTOP與架構(gòu)相關(guān)；甚至，還有一些信號(hào)如SIGSTKFLT專門為某些架構(gòu)定義的。

除了上表中的常規(guī)信號(hào)之外，POSIX標(biāo)準(zhǔn)還引入了一類新的信號(hào)，稱為實(shí)時(shí)信號(hào)，Linux中信號(hào)范圍是32~64。實(shí)時(shí)信號(hào)具有以下特性：

1. 增加了從SIGRTMIN到SIGRTMAX的實(shí)時(shí)信號(hào)，可以通過(guò)sysconf(_SC_RTSIG_MAX)系統(tǒng)函數(shù)獲得當(dāng)前操作系統(tǒng)支持的實(shí)時(shí)信號(hào)的個(gè)數(shù)。但是要注意，一般libc會(huì)對(duì)SIGRTMIN進(jìn)行修改，保留幾個(gè)預(yù)設(shè)的值用于pthread內(nèi)部，比如glibc就保留了3個(gè)值。所以在使用實(shí)時(shí)信號(hào)的時(shí)候，應(yīng)該使用SIGRTMIN+n、SIGRTMAX-n的方式，而不是直接使用數(shù)值。

2. 實(shí)時(shí)信號(hào)和常規(guī)信號(hào)不一樣，它沒(méi)有明確的含義，而是由使用者自己來(lái)決定如何使用。

3. 進(jìn)程可以接受多個(gè)相同的實(shí)時(shí)信號(hào)，而常規(guī)信號(hào)不能，在常規(guī)信號(hào)沒(méi)有得到處理的時(shí)候，多個(gè)常規(guī)信號(hào)會(huì)被合為一個(gè)。

4. 實(shí)時(shí)信號(hào)使用sigqueue發(fā)送的時(shí)候，可以攜帶附加的數(shù)據(jù)(int或者pointer)。

5. 實(shí)時(shí)信號(hào)有時(shí)間順序的概念，所以同樣的實(shí)時(shí)信號(hào)會(huì)按次序被處理。

6. 信號(hào)實(shí)質(zhì)上是軟中斷，中斷有優(yōu)先級(jí)，信號(hào)也有優(yōu)先級(jí)。實(shí)時(shí)信號(hào)具有優(yōu)先的概念，數(shù)值越低的信號(hào)其優(yōu)先級(jí)越高，也就是數(shù)值低的實(shí)時(shí)信號(hào)優(yōu)先得到處理。實(shí)時(shí)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，在POSIX中是未定義的，一般來(lái)說(shuō)會(huì)優(yōu)先處理標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

7. 實(shí)時(shí)信號(hào)的默認(rèn)行為都一樣，都是結(jié)束當(dāng)前的進(jìn)程，這個(gè)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是不一樣的。

盡管Linux內(nèi)核不使用實(shí)時(shí)信號(hào)，但是它通過(guò)幾個(gè)特殊的系統(tǒng)調(diào)用完整支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)。

以Ubuntu 18.04為例，查看Linux系統(tǒng)中使用的信號(hào)方法：

$kill-l
1)SIGHUP2)SIGINT3)SIGQUIT4)SIGILL5)SIGTRAP
6)SIGABRT7)SIGBUS8)SIGFPE9)SIGKILL10)SIGUSR1
11)SIGSEGV12)SIGUSR213)SIGPIPE14)SIGALRM15)SIGTERM
16)SIGSTKFLT17)SIGCHLD18)SIGCONT19)SIGSTOP20)SIGTSTP
21)SIGTTIN22)SIGTTOU23)SIGURG24)SIGXCPU25)SIGXFSZ
26)SIGVTALRM27)SIGPROF28)SIGWINCH29)SIGIO30)SIGPWR
31)SIGSYS34)SIGRTMIN35)SIGRTMIN+136)SIGRTMIN+237)SIGRTMIN+3
38)SIGRTMIN+439)SIGRTMIN+540)SIGRTMIN+641)SIGRTMIN+742)SIGRTMIN+8
43)SIGRTMIN+944)SIGRTMIN+1045)SIGRTMIN+1146)SIGRTMIN+1247)SIGRTMIN+13
48)SIGRTMIN+1449)SIGRTMIN+1550)SIGRTMAX-1451)SIGRTMAX-1352)SIGRTMAX-12
53)SIGRTMAX-1154)SIGRTMAX-1055)SIGRTMAX-956)SIGRTMAX-857)SIGRTMAX-7
58)SIGRTMAX-659)SIGRTMAX-560)SIGRTMAX-461)SIGRTMAX-362)SIGRTMAX-2
63)SIGRTMAX-164)SIGRTMAX

1.2 ARM架構(gòu)信號(hào)定義

下圖右邊是ARM架構(gòu)與x86架構(gòu)信號(hào)定義的比較圖（左邊是x86架構(gòu)，右邊是ARM架構(gòu)）。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ARM架構(gòu)比x86架構(gòu)多了一個(gè)SIGSWI信號(hào)。在對(duì)內(nèi)核源代碼進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)唯一提到SIGSWI(不包括聲明本身)的是文件（Linux 5.18.18中，位于tools/perf/trace/beauty/signum.c。具體代碼中只有在打印信號(hào)的時(shí)候用，貌似已經(jīng)從內(nèi)核中移除。）。一些奇怪的基于ARM 的操作系統(tǒng)(RISCOS)使用這種方式與其模擬器進(jìn)行通信。它被稱為Arthur OS。

1.3 RISC-V架構(gòu)信號(hào)定義

RISC-V架構(gòu)信號(hào)定義如下面所示，Linux 6.7內(nèi)核，文件位于/include/uapi/asm-generic/signal.h。信號(hào)的定義直接使用了標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范。

#define_NSIG64
//...省略
#defineSIGHUP1
#defineSIGINT2
//...省略
#defineSIGPWR30
#defineSIGSYS31
#defineSIGUNUSED31

/*用戶進(jìn)程不能認(rèn)為這些是常數(shù)*/
#defineSIGRTMIN32
#ifndefSIGRTMAX
#defineSIGRTMAX_NSIG
#endif

所以說(shuō)，對(duì)于Linux信號(hào)來(lái)說(shuō)，不管是x86架構(gòu)，ARM架構(gòu)，還是RISC-V，都是統(tǒng)一的，沒(méi)有什么變化。

1.4 信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用

Linux提供了一些系統(tǒng)調(diào)用，允許編程者發(fā)送信號(hào)，并決定如何響應(yīng)接收到的信號(hào)。下表列出了這些系統(tǒng)調(diào)用：

1.5 信號(hào)工作原理

信號(hào)的一個(gè)重要特性是，可能會(huì)在任何時(shí)候傳遞給進(jìn)程。發(fā)送給沒(méi)有在執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程，就需要保存該信號(hào)，以便進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行時(shí)處理它。阻塞信號(hào)要求在解除阻塞之前延緩信號(hào)的傳遞。

因此，Linux將內(nèi)核的傳遞分為了兩個(gè)階段：

• 信號(hào)產(chǎn)生

  內(nèi)核更新目標(biāo)進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表達(dá)一個(gè)新信號(hào)要被發(fā)送。

• 信號(hào)傳遞

  內(nèi)核通過(guò)改變目標(biāo)進(jìn)程的狀態(tài)，且執(zhí)行指定信號(hào)處理程序，以強(qiáng)制其響應(yīng)信號(hào)，

每個(gè)信號(hào)最多傳遞一次。信號(hào)是消耗性資源：一旦它們被傳遞，所有進(jìn)程描述符中跟信號(hào)有關(guān)的數(shù)據(jù)引用都將取消。

產(chǎn)生還沒(méi)有傳遞的信號(hào)，稱為掛起信號(hào)。任何時(shí)候，一個(gè)進(jìn)程只能存在一個(gè)給定類型的掛起信號(hào)；同一個(gè)進(jìn)程的同類掛起信號(hào)會(huì)被拋棄。但是，實(shí)時(shí)信號(hào)與此不同：可以同時(shí)存在多個(gè)同類型的掛起信號(hào)。

信號(hào)產(chǎn)生還沒(méi)有被傳遞這段時(shí)間，通常存在于以下時(shí)間段：

• 信號(hào)通常只傳遞給當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程（current）。

• 進(jìn)程可以有選擇地阻塞信號(hào)。這種情況下，進(jìn)程不會(huì)接收信號(hào)，除非解除阻塞。

• 執(zhí)行信號(hào)處理程序時(shí)，進(jìn)程通常屏蔽掉響應(yīng)的信號(hào)（例如，在信號(hào)處理程序執(zhí)行完之前自動(dòng)阻塞該信號(hào)）。也就是說(shuō)，信號(hào)處理程序不會(huì)被正在處理的信號(hào)打斷，所以，信號(hào)處理程序不需要考慮可重入的問(wèn)題。

盡管信號(hào)的概念非常簡(jiǎn)單，內(nèi)核實(shí)現(xiàn)卻相當(dāng)復(fù)雜。內(nèi)核必須：

• 記住哪些信號(hào)被哪個(gè)進(jìn)場(chǎng)阻塞。

• 當(dāng)從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)時(shí)，檢查該進(jìn)程是否有信號(hào)需要處理。這通常發(fā)生在每次定時(shí)器中斷時(shí)（大約幾個(gè)毫秒一次）。

• 判斷該信號(hào)是否被忽略。滿足忽略的條件如下：

  • 目標(biāo)進(jìn)程沒(méi)有被其它進(jìn)程追蹤（也就是進(jìn)程描述符中的PT_PTRACED標(biāo)志等于0）。
  • 信號(hào)沒(méi)有被目標(biāo)進(jìn)程阻塞。
  • 信號(hào)正在被目標(biāo)忽略。（可以是進(jìn)程顯式忽略，也可以是信號(hào)的默認(rèn)行為是忽略且進(jìn)程沒(méi)有更改它）

• 處理信號(hào)，可能涉及到在進(jìn)程執(zhí)行的任何時(shí)候切換到信號(hào)處理程序，且需要在處理程序返回時(shí)恢復(fù)其原始執(zhí)行上下文。

此外，Linux必須考慮到BSD和System V信號(hào)采用的不同語(yǔ)義，它必須遵循相當(dāng)復(fù)雜的POSIX要求。

2 信號(hào)的響應(yīng)行為

信號(hào)的響應(yīng)方式有3種：

1. 忽略信號(hào)

• Terminate

  殺死進(jìn)程。

• Dump

  殺死進(jìn)程，如果可能的話創(chuàng)建一個(gè)包含其上下文的核心轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件。該文件主要用于調(diào)試目的。

• Ignore

  忽略信號(hào)。

• Stop

  停止進(jìn)程。例如將進(jìn)程置為TASK_STOPPED狀態(tài)。

• Continue

  繼續(xù)進(jìn)程（TASK_STOPPED），將其置于TASK_RUNNING狀態(tài)。

2. 執(zhí)行信號(hào)的默認(rèn)行為。默認(rèn)行為是內(nèi)核預(yù)定義好的，如下所示：

3. 捕獲信號(hào)，執(zhí)行自定義的信號(hào)處理程序。

注意，阻塞信號(hào)不同于忽略信號(hào)。只要信號(hào)被阻塞，就不會(huì)傳遞它。而忽略信號(hào)總是傳遞它，只是不執(zhí)行響應(yīng)動(dòng)作。

SIGKILL和SIGSTOP信號(hào)不能被忽略，捕獲或阻塞。它們的默認(rèn)動(dòng)作總是會(huì)被執(zhí)行。因此，SIGKILL和SIGSTOP信號(hào)給予合適權(quán)限的用戶可以終止、停止每個(gè)進(jìn)程（這兒有兩個(gè)例外：不能向進(jìn)程0-swapper發(fā)送信號(hào)，并且發(fā)送給進(jìn)程1-init的信號(hào)總是被丟棄。因此，進(jìn)程0永遠(yuǎn)不會(huì)死亡，而進(jìn)程1只有在init終止時(shí)才會(huì)死亡。）。

如果信號(hào)造成內(nèi)核殺死進(jìn)程，那么對(duì)于給定進(jìn)程是非常致命的，比如SIGKILL。默認(rèn)行為為Terminate的信號(hào)且未被進(jìn)程捕獲，對(duì)于該進(jìn)程來(lái)說(shuō)也是致命的。但是，如果信號(hào)被捕獲，而其處理程序終止進(jìn)程則不是致命的，因?yàn)檫M(jìn)程自己選擇的終止，不是內(nèi)核殺死的。

3 POSIX信號(hào)和多線程程序

POSIX 1003.1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多線程應(yīng)用程序的信號(hào)處理有嚴(yán)格的要求：

• 多線程應(yīng)用程序中所有線程共享信號(hào)處理程序；但是，每個(gè)線程必須具有自己的掛起信號(hào)和阻塞信號(hào)的位數(shù)組。

• kill()和sigqueue()等POSIX庫(kù)函數(shù)必須發(fā)送信號(hào)給整個(gè)多線程應(yīng)用，而不是某個(gè)特定的線程。內(nèi)核生成的所有信號(hào)（如SIGCHLD、SIGINT或SIGQUIT）都是如此。

• 發(fā)送給多線程應(yīng)用的信號(hào)只被傳遞給一個(gè)線程，由內(nèi)核在沒(méi)有阻塞該信號(hào)的線程中任意選擇。

• 如果致命信號(hào)發(fā)送給多線程應(yīng)用，內(nèi)核將殺死應(yīng)用程序的所有線程，而不僅僅是信號(hào)傳遞給的那個(gè)線程。

為了遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)，Linux 2.6內(nèi)核將多線程應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)為屬于同一線程組的一組輕量級(jí)進(jìn)程。

本文中的線程組是廣義的，甚至可以使傳統(tǒng)意義上的單進(jìn)程。術(shù)語(yǔ)進(jìn)程表示傳統(tǒng)意義上的進(jìn)程或輕量級(jí)進(jìn)程（線程組中的某個(gè)成員）。

此外，如果信號(hào)被發(fā)送給一個(gè)特定的進(jìn)程，則是私有的；如果發(fā)送給整個(gè)線程組，則是共享的。

4 與信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了追蹤進(jìn)程或線程組的信號(hào)狀態(tài)，內(nèi)核在進(jìn)程描述符中提供了幾個(gè)可訪問(wèn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

其中，進(jìn)程描述符中與信號(hào)處理相關(guān)的數(shù)據(jù)字段如下所示：

blocked存儲(chǔ)了被進(jìn)程屏蔽掉的信號(hào)。數(shù)據(jù)類型為sigset_t，是一個(gè)位數(shù)組，每一位代表一類信號(hào)：

typedefstruct{
unsignedlongsig[2];
}sigset_t;

因?yàn)?code style="color:rgb(30,107,184);font-size:14px;line-height:1.8em;letter-spacing:0em;background:rgba(27,31,35,.05) none no-repeat scroll 0% 0%;width:auto;height:auto;margin-left:2px;margin-right:2px;padding:2px 4px;border-style:none;border-width:3px;border-color:rgba(0,0,0,.4) rgba(0,0,0,.4);font-family:'Operator Mono', Consolas, Monaco, Menlo, monospace;">32位系統(tǒng)的unsigned long是32位，信號(hào)最大數(shù)量是64（用_NSIG宏表示）。因?yàn)闆](méi)有信號(hào)是0，所以，信號(hào)值等于sigset_t中位索引加1。具體可以參考前面列出的表。

4.1 信號(hào)描述符和信號(hào)處理程序描述符

進(jìn)程描述符中的signal字段指向信號(hào)描述符，類型為signal_struct，用來(lái)記錄共享掛起信號(hào)。此外，信號(hào)描述符還有一些與信號(hào)處理不太相關(guān)的字段，如rlim（進(jìn)程資源限制），或pgrp和session字段，分別存儲(chǔ)線程組領(lǐng)導(dǎo)者的PID和進(jìn)程中會(huì)話領(lǐng)導(dǎo)者的PID。事實(shí)上，我們?cè)趯W(xué)習(xí)clone(),fork(),和vfork()系統(tǒng)調(diào)用一節(jié)時(shí)了解到，同一線程組中的所有進(jìn)程共享信號(hào)描述符，也就是說(shuō)，通過(guò)clone()系統(tǒng)調(diào)用，并設(shè)置CLONE_THREAD標(biāo)志，創(chuàng)建的所有進(jìn)程，其信號(hào)描述符中所有字段必須相同。

信號(hào)描述符中與信號(hào)處理相關(guān)的字段，如下表所示：

除了信號(hào)描述符，每個(gè)進(jìn)程還有一個(gè)信號(hào)處理描述符，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為sighand_struct，其描述了線程組怎樣處理信號(hào)。其字段如下所示：

正如先前提到的，使用clone()和CLONE_SIGHAND標(biāo)志創(chuàng)建的進(jìn)程們共享信號(hào)處理描述符。所以，count字段記錄了共享信號(hào)處理描述符的進(jìn)程數(shù)。在POSIX多線程應(yīng)用中，線程組中的所有輕量級(jí)進(jìn)程引用相同的信號(hào)描述符和相同的信號(hào)處理描述符。

4.2 sigaction數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

有些架構(gòu)可能會(huì)將信號(hào)的某些屬性僅對(duì)內(nèi)核可見(jiàn)。因此，存儲(chǔ)在k_sigaction中的信號(hào)屬性，既包含了對(duì)用戶態(tài)隱藏的屬性，也包含了用戶態(tài)所有可見(jiàn)的屬性。事實(shí)上，在x86平臺(tái)上，所有的信號(hào)屬性對(duì)用戶態(tài)都是可見(jiàn)的。

因此，k_sigaction結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)類型為sigaction的sa結(jié)構(gòu)，它包含如下字段*：

用戶態(tài)應(yīng)用程序用來(lái)給signal()和sigaction()系統(tǒng)調(diào)用傳遞參數(shù)的sigaction數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)核使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)略有不同。

• sa_handler

  該字段指定要執(zhí)行的動(dòng)作類型；可以是信號(hào)處理程序的指針，SIG_DFL（值為0，執(zhí)行默認(rèn)行為），或SIG_IGN（值為1，忽略信號(hào)）。

• sa_flags

  如何處理處理信號(hào)的標(biāo)志，下表列出了其中的一些。

  因?yàn)闅v史原因，這些標(biāo)志和irqaction具有一樣的前綴SA_；然而，兩組標(biāo)志沒(méi)有任何關(guān)系。

• sa_mask

  類型為sigset_t，用來(lái)指定在運(yùn)行信號(hào)處理程序時(shí)屏蔽掉的信號(hào)。

表 sa_flags值和意義

4.2.1 x86/Linux2.6.11的定義

#ifdef__KERNEL__
structold_sigaction{
__sighandler_tsa_handler;
old_sigset_tsa_mask;
unsignedlongsa_flags;
__sigrestore_tsa_restorer;
};

structsigaction{
__sighandler_tsa_handler;
unsignedlongsa_flags;
__sigrestore_tsa_restorer;
sigset_tsa_mask;/*masklastforextensibility*/
};

structk_sigaction{
structsigactionsa;
};
#else
/*這是為了迎合libc庫(kù)的實(shí)現(xiàn)*/
structsigaction{
union{
__sighandler_t_sa_handler;
void(*_sa_sigaction)(int,structsiginfo*,void*);
}_u;
sigset_tsa_mask;
unsignedlongsa_flags;
void(*sa_restorer)(void);
};

#definesa_handler_u._sa_handler
#definesa_sigaction_u._sa_sigaction
#endif/*__KERNEL__*/

4.2.2 x86-64/Linux2.6.11的定義

structsigaction{
__sighandler_tsa_handler;
unsignedlongsa_flags;
__sigrestore_tsa_restorer;
sigset_tsa_mask;/*masklastforextensibility*/
};

structk_sigaction{
structsigactionsa;
};

4.2.3 x86-64/linux5.18.18的定義

較高版本中的內(nèi)核中，將k_sigaction定義到了一個(gè)統(tǒng)一的文件中（include/linux/signal_types.h：

structsigaction{
#ifndef__ARCH_HAS_IRIX_SIGACTION
__sighandler_tsa_handler;
unsignedlongsa_flags;
#else
unsignedintsa_flags;
__sighandler_tsa_handler;
#endif
#ifdef__ARCH_HAS_SA_RESTORER
__sigrestore_tsa_restorer;
#endif
sigset_tsa_mask;/*masklastforextensibility*/
};

structk_sigaction{
structsigactionsa;
#ifdef__ARCH_HAS_KA_RESTORER
__sigrestore_tka_restorer;
#endif
};

為了兼容libc庫(kù)，需要根據(jù)架構(gòu)進(jìn)行一些定義：

#ifndef__KERNEL__
/*這是為了迎合libc庫(kù)的實(shí)現(xiàn)*/
#ifdef__i386__

structsigaction{
union{
__sighandler_t_sa_handler;
void(*_sa_sigaction)(int,structsiginfo*,void*);
}_u;
sigset_tsa_mask;
unsignedlongsa_flags;
void(*sa_restorer)(void);
};

#definesa_handler_u._sa_handler
#definesa_sigaction_u._sa_sigaction

#else/*__i386__*/

structsigaction{
__sighandler_tsa_handler;
unsignedlongsa_flags;
__sigrestore_tsa_restorer;
sigset_tsa_mask;/*masklastforextensibility*/
};

#endif/*!__i386__*/
#endif/*!__KERNEL__*/

4.2.4 ARM/linux5.18.18的定義

ARM架構(gòu)下內(nèi)核中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與x86架構(gòu)相同，但是，為了兼容libc，不得不定義一些特殊的結(jié)構(gòu)：

#ifndef__KERNEL__
/*這是為了迎合libc庫(kù)的實(shí)現(xiàn)*/
structsigaction{
union{
__sighandler_t_sa_handler;
void(*_sa_sigaction)(int,structsiginfo*,void*);
}_u;
sigset_tsa_mask;
unsignedlongsa_flags;
void(*sa_restorer)(void);
};

#definesa_handler_u._sa_handler
#definesa_sigaction_u._sa_sigaction

#endif/*__KERNEL__*/

4.2.5 RISC-V/linux6.7

最新版本內(nèi)核中沒(méi)有變化，RISC-V相關(guān)實(shí)現(xiàn)與ARM架構(gòu)相同，只是，取消了聯(lián)合體復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)（這就是后發(fā)優(yōu)勢(shì)）：

#ifndef__KERNEL__
structsigaction{
__sighandler_tsa_handler;
unsignedlongsa_flags;
#ifdefSA_RESTORER
__sigrestore_tsa_restorer;
#endif
sigset_tsa_mask;/*masklastforextensibility*/
};
#endif

4.3 掛起信號(hào)隊(duì)列

正如前面所述，某些系統(tǒng)可以產(chǎn)生信號(hào)：kill()和rt_sigqueueinfo()發(fā)送信號(hào)到整個(gè)線程組，而tkill()和tgkill()發(fā)送信號(hào)到某個(gè)特定的進(jìn)程。

為了記錄當(dāng)前哪些信號(hào)被掛起，內(nèi)核給每個(gè)進(jìn)程提供了兩個(gè)掛起信號(hào)隊(duì)列：

• 共享掛起信號(hào)隊(duì)列，掛載到信號(hào)描述符的shared_pending字段，存儲(chǔ)整個(gè)線程組的掛起信號(hào)。

• 私有掛起信號(hào)隊(duì)列，掛載到進(jìn)程描述符的pending字段，存儲(chǔ)進(jìn)程（輕量級(jí)）自己的掛起信號(hào)。

掛起信號(hào)隊(duì)列的元素是類型為sigpending的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義如下：

structsigpending{
structlist_headlist;
sigset_tsignal;
}

signal字段是一個(gè)位數(shù)組，每一位代表一個(gè)掛起信號(hào)，而list字段是雙向鏈表的頭，該表頭指向sigqueue數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成的鏈表，sigqueue字段定義如下表所示：

其中，siginfo_t的大小為128字節(jié)，描述特定信號(hào)事件的信息；它包含以下字段：

• si_signo

  信號(hào)編碼。

• si_errno

  產(chǎn)生信號(hào)的指令的錯(cuò)誤編碼，如果是0則沒(méi)有錯(cuò)誤。

• si_code

  標(biāo)識(shí)發(fā)送信號(hào)方的編碼（參加表11-8）

  表11-8。最重要的信號(hào)發(fā)送方編碼

  編碼名稱	發(fā)送方
  SI_USER	kill()和raise()(查看稍后的與信號(hào)處理相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用)
  SI_KERNEL	通用內(nèi)核函數(shù)產(chǎn)生的信號(hào)
  SI_QUEUE	sigqueue()(查看稍后的與信號(hào)處理相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用)
  SI_TIMER	定時(shí)器到時(shí)
  SI_ASYNCIO	異步IO完成
  SI_TKILL	tkill()和tgkill()(查看稍后的與信號(hào)處理相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用)

• _sifields

  一個(gè)聯(lián)合體數(shù)據(jù)類型，根據(jù)信號(hào)類型存儲(chǔ)信息。例如是SIGKILL信號(hào)，siginfo_t記錄發(fā)送進(jìn)程的PID和UID；如果是SIGSEGV，則記錄產(chǎn)生信號(hào)時(shí)訪問(wèn)的內(nèi)存地址。

5 信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作函數(shù)

為了方便處理信號(hào)，內(nèi)核提供了幾個(gè)函數(shù)和宏，如下所示。其中，set是指向sigset_t變量的指針，nsig是信號(hào)值，mask是一個(gè)unsigned long類型的位掩碼。

• sigemptyset(set)/sigfillset(set)

  設(shè)置sigset_t變量的位為0或1。

• sigaddset(set,nsig)/sigdelset(set,nsig)

  設(shè)置sigset_t變量中指定信號(hào)nsig為1或0。事實(shí)上，sigaddset()可以簡(jiǎn)化為

  set->sig[(nsig-1)/32]|=1UL<1)%32);
  

  而sigdelset()簡(jiǎn)化為

  set->sig[(nsig-1)/32]&=~(1UL<1)%32));
  

• sigaddsetmask(set,mask)/sigdelsetmask(set,mask)

  設(shè)置sigset_t類型變量的位掩碼為1或0。

  set->sig[0]|=mask;
  

  and to:

  set->sig[0]&=~mask;
  

• sigismember(set,nsig)

  返回信號(hào)nsig在sigset_t變量中的對(duì)應(yīng)位。實(shí)際可以簡(jiǎn)化為：

  return1&(set->sig[(nsig-1)/32]>>((nsig-1)%32));
  

• sigmask(nsig)

  產(chǎn)生信號(hào)nsig的位索引。換句話說(shuō)，如果內(nèi)核需要設(shè)置、清除或測(cè)試sigset_t類型變量中的信號(hào)對(duì)應(yīng)位，可以通過(guò)該宏可以導(dǎo)出正確的位。

• sigandsets(d,s1,s2)/sigorsets(d,s1,s2)/signandsets(d,s1,s2)

  對(duì)s1和s2執(zhí)行邏輯AND、OR和NAND操作，結(jié)果保存到d中。

• sigtestsetmask(set,mask)

  如果變量的相應(yīng)位掩碼為1，則返回1；否則返回0。只有在信號(hào)1~32之間使用。

• siginitset(set,mask)

  用mask的位初始化sigset_t變量中1 ~ 32信號(hào)對(duì)應(yīng)的低位，清除33 ~ 63信號(hào)對(duì)應(yīng)位。

• siginitsetinv(set,mask)

  用mask的補(bǔ)碼初始化sigset_t變量1~32信號(hào)對(duì)應(yīng)的低位，并設(shè)置33~63信號(hào)對(duì)應(yīng)的位。

• signal_pending(p)

  判斷由p指向的進(jìn)程描述符是否具有非阻塞的掛起信號(hào)，如果有，返回1（true）；如果沒(méi)有，則返回0（false）。該函數(shù)是通過(guò)對(duì)進(jìn)程的TIF_SIGPENDING標(biāo)志進(jìn)行檢查實(shí)現(xiàn)的。

• recalc_sigpending_tsk(t)/recalc_sigpending()

  第一個(gè)函數(shù)檢查t指向的進(jìn)程描述符中是否有掛起信號(hào)（通過(guò)檢查t->pending->signal字段實(shí)現(xiàn)），或者檢查該進(jìn)程所屬線程組是否有掛起信號(hào)（通過(guò)檢查t-> signal->shared_pending->signal實(shí)現(xiàn)）。該函數(shù)隨后設(shè)置t->thread_info->flags中的TIF_SIGPENDING標(biāo)志位。recalc_sigpending()等價(jià)于recalc_sigpending_tsk(current)。

• rm_from_queue(mask,q)

  從掛起信號(hào)隊(duì)列q中移除mask位掩碼中對(duì)應(yīng)的掛起信號(hào)。

• flush_sigqueue(q)

  從掛起信號(hào)隊(duì)列q中移除所有掛起信號(hào)。

• flush_signals(t)

  刪除發(fā)送給進(jìn)程的所有信號(hào)（t指向進(jìn)程描述符）。實(shí)現(xiàn)方式是清除t->thread_info->flags的TIF_SIGPENDING標(biāo)志，并分別對(duì)t->pending和t->signal->shared_ pending隊(duì)列調(diào)用flush_sigqueue()。

5.1 x86架構(gòu)

較新的內(nèi)核版本（比如，v5.18.18和v6.7）中，這些函數(shù)都已經(jīng)作了統(tǒng)一處理，位于文件include/linux/signal.h中。但是，x86架構(gòu)體系的i386它的實(shí)現(xiàn)使用了匯編指令（為了效率），比如：

staticinlineint__gen_sigismember(sigset_t*set,int_sig)
{
boolret;
asm("btl%2,%1"CC_SET(c)
:CC_OUT(c)(ret):"m"(*set),"Ir"(_sig-1));
returnret;
}

__gen_sigismember是sigismember的一個(gè)底層實(shí)現(xiàn)，其中用到了匯編指令btl（將寄存器的位進(jìn)行比較，如果該位被設(shè)置則置為1，則CC_SET(c)條件碼會(huì)被設(shè)置為真，否則為假）。所以，i386有一部分設(shè)置信號(hào)的函數(shù)定義獨(dú)自一個(gè)文件（/arch/x86/include/asm/signal.h）。

5.2 ARM和RISC-V架構(gòu)

x86-64、ARM和RISC-V架構(gòu)的函數(shù)定義都位于include/linux/signal.h文件中，是統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。