Libev源码分析06：异步信号同步化--sigwait、sigwaitinfo、sigtimedwait和signalfd

一：信号简述

信号是典型的异步事件。内核在某个信号出现时有三种处理方式：

a：忽略信号，除了SIGKILL和SIGSTOP信号不能忽略外，其他大部分信号都可以被忽略；

b：捕捉信号，也就是在信号发生时调用一个用户函数，注意不能捕捉SIGKILL和SIGSTOP；

c：执行系统默认动作，注意大多数信号的系统默认动作是终止进程。

调用execve执行一个新的进程时，新进程的信号处理方式要么是忽略，要么是系统默认方式。如果调用进程忽略该信号，则新进程也忽略该信号，如果调用进程捕捉该信号，或者执行系统默认动作，新进程则按照默认行为处理该信号，这是因为调用进程的信号处理函数在新进程中已经无效了。

如果是调用fork产生子进程，则子进程的信号处理方式完全继承父进程的处理方式。这是因为子进程复制了父进程的地址空间，因此父进程中的信号处理函数在子进程中同样被复制了。

当信号产生以后，对信号采取了动作时，称为向进程“递送”了一个信号，在信号产生（generation）和递送（delivery）之间的时间间隔内，称信号是未决的（pending）。

进程可以“阻塞”信号，如果为进程产生了一个阻塞的信号，而且对该信号的动作是调用信号处理函数捕捉该信号，或者是系统默认动作，则会为该进程将此信号保持为未决状态，直到a：对此信号解除了阻塞，或者b：对此信号的动作改为忽略。内核在递送一个原来被阻塞的信号给进程时（而不是产生信号时），才决定对它的处理方式，因此，进程在信号被递送之前仍可改变对该信号的动作。

如果在进程解除某个信号的阻塞之前，该信号发生了多次，则系统可以递送该信号一次或多次。如果递送多次，则称对这些信号进行了排队。但是除非支持POSIX.1实时扩展，否则大多数UNIX并不对信号排队，也就是指递送该信号一次。

如果有多个信号要递送给一个进程，POSIX.1并未规定这些信号的递送顺序。

每个进程都有一个信号屏蔽字，它规定了当前要阻塞的信号集。POSIX.1使用数据类型sigset_t表示一个信号集，进程可以调用sigprocmask来检测和更改当前信号屏蔽字。

对信号的处理是以进程为单位的，也就是说在多线程环境中，信号的处理是进程中所有线程共享的。但是每个线程可以有自己的信号屏蔽字，所以，单个线程可以阻塞某些信号，当某个线程修改了某个信号的处理方式后，所有线程共享这个处理方式的改变。

进程中的信号是递送到单个线程的。如果信号与硬件故障相关，该信号就被递送到引起该事件的线程中去，而其他信号则被递送到任意一个没有阻塞该信号的线程。sigprocmask的行为在多线程中没有定义，线程必须使用相应的pthread_sigmask。

除了使用信号处理函数异步的捕捉信号之外，还可以将这种异步行为变得同步，有两种方法：

a：调用sigwaitinfo、sigtimedwait或sigwait，这些函数会阻塞调用线程，直到信号集set中的某个信号被递送为止，这些函数都会返回递送信号的信息。

b：调用signalfd，它返回一个文件描述符，针对该描述符的read的操作将会阻塞，直到signalfd指定的信号集set中的某个信号递送给调用者为止，此时read返回一个描述该信号的结构。

二：sigwaitinfo、sigtimedwait和sigwait

1：sigwait

#include <signal.h>
int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);

sigwait从set中选择一个未决信号(pending)，从进程的未决信号集合中移除该信号，并在sig中返回该信号值。如果set中的所有信号都不是pending状态，则sigwait会阻塞调用它的线程，直到set中的信号变为pending。

为了避免错误动作发生，线程在调用sigwait之前，必须阻塞那些它正在等待的信号，否则行为是未定义的。sigwait函数会自动取消信号集的阻塞状态，直到有新的信号被递送。在返回之前，sigwait将恢复线程的信号屏蔽字。如果信号在sigwait调用的时候没有被阻塞，则在sigwait调用之前会出现一个时间窗，在这个窗口期，某个信号可能在线程调用sigwait之前就被递送了。

sigwait只是取消set中信号的阻塞，其他信号则维持原状态，比如，在sigwait调用之前阻塞了所有信号，而set中只包含了SIGINT，则发送SIGABRT也不会有效果。

如果多个线程在sigwait调用时，等待的是同一个信号，当信号递送的时候，只有一个线程可以从sigwait中返回，具体是那个线程则是未定义的。

如果信号被捕获(进程通过使用sigaction建立了一个信号处理程序)，而且线程正在sigwait调用中等待同一信号，那么这时将由操作系统实现来决定以何种方式递送信号。在这种情况下，操作系统实现可以让sigwait返回，也可以激活信号处理程序，但不可能出现两者皆可的情况。

sigwait成功返回0，失败时返回表示错误的值。

使用sigwait的好处在于它可以简化信号处理，允许把异步产生的信号用同步的方式处理。为了防止信号中断线程，可以把信号加到每个线程的信号屏蔽字中，然后安排专用线程作信号处理。这些专用线程可以进行函数调用，不需要担心在信号处理程序中调用哪些函数是安全的，因为这些函数调用来自正常的线程环境，而非传统的信号处理程序，传统信号处理程序通常会中断线程的正常执行。

2：sigwaitinfo和sigtimedwait

#include <signal.h>

int sigwaitinfo(const sigset_t *set, siginfo_t *info);
int sigtimedwait(const sigset_t *set, siginfo_t *info, const struct timespec *timeout);

除了返回信息方面，sigwaitinfo的行为基本上与sigwait类似。sigwait在sig中返回触发的信号值；而sigwaitinfo的返回值就是触发的信号值，并且如果info不为NULL，则sigwaitinfo返回时，还会在siginfo_t *info中返回更多该信号的信息，siginfo_t的结构体定义如下：

siginfo_t
{
    int      si_signo;    /* Signal number */
    int      si_errno;    /* An errno value */
    int      si_code;     /* Signal code */
    int      si_trapno;   /* Trap number that caused hardware-generated signal (unused on most architectures) */
    pid_t    si_pid;      /* Sending process ID */
    uid_t    si_uid;      /* Real user ID of sending process */
    int      si_status;   /* Exit value or signal */
    clock_t  si_utime;    /* User time consumed */
    clock_t  si_stime;    /* System time consumed */
    sigval_t si_value;    /* Signal value */
    int      si_int;      /* POSIX.1b signal */
    void    *si_ptr;      /* POSIX.1b signal */
    int      si_overrun;  /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
    int      si_timerid;  /* Timer ID; POSIX.1b timers */
    void    *si_addr;     /* Memory location which caused fault */
    long     si_band;     /* Band event (was int in glibc 2.3.2 and earlier) */
    int      si_fd;       /* File descriptor */
    short si_addr_lsb;    /*Least significant bit of address (since Linux 2.6.32)*/
}

比如：info->si_signo是信号值；info->si_code是该信号产生的原因

sigtimedwait的行为又与sigwaitinfo的行为类似，只是它多了一个超时参数timeout，也就是可以设置该函数的最大阻塞时间。struct timespec的定义如下：

struct timespec
{
    long    tv_sec;         /* seconds */
    long    tv_nsec;        /* nanoseconds */
}

如果该结构体中的成员都置为0的话，则sigtimedwait将会立即返回，此时如果确实有pending信号的话，就返回该信号的信息，否则返回超时错误。

POSIX没有规定，如果timeout为NULL的话sigtimedwait的行为，Linux下，timeout为NULL时，sigtimedwait的行为与sigwaitinfo是一样的。

三：signalfd

#include <sys/signalfd.h>

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

signalfd用来创建一个接收信号的文件描述符，该文件描述符可用于select、poll和epoll。mask参数中指定了调用者希望接收的信号集，一般而言，信号集中的信号在调用signalfd之前，应该使用sigprocmask进行阻塞，这样这些信号就不会按照原来的处理方式进行处理了。注意不能通过signalfd的文件描述符接收SIGKILL或SIGSTOP信号，如果在mask中指定了这俩信号，则会默认忽略掉。

如果fd参数为-1，则signalfd创建新的文件描述符，并将信号集mask与该文件描述符相关联。如果fd不为-1，则fd必须是一个已经存在的signalfd文件描述符，mask用于更新与之对应的信号集。

在Linux2.6.26之前的版本，flags参数是无用的，必须置为0。从Linux2.6.27开始，可以在flags中指定下面的值以改变signalfd的行为：

SFD_NONBLOCK：在新创建的文件描述符上设置O_NONBLOCK文件状态标志；

SFD_CLOEXEC：在新建的文件描述符上设置FD_CLOEXEC标志。

注意上面的两个标志，都是针对新建描述符而言的（fd为-1），如果是一个已经存在的描述符，设置这两个标志都没有作用（已通过程序验证）。

signalfd创建描述符支持下列操作：

read：如果mask中的一个或多个信号是未决状态（pending）的话，则read将会在其buffer参数中返回一个或多个描述信号的signalfd_siginfo结构。read操作尽可能多的返回未决信号，并将其信息填充到buffer。buffer至少应该是sizeof(struct signalfd_siginfo) 个字节，read的返回值就是读取的字节数。

在read之后，read返回的信号就被消费掉了，不再处于未决状态（也就是不能再由信号处理函数捕捉，也不能使用sigwaitinfo接收）。

如果mask中的信号都不是未决状态，若文件描述符置为非阻塞的话，read返回EAGAIN错误，否则read会一直阻塞，直到mask中的信号产生。

select、poll、epoll等：如果mask中有一个或多个信号处于未决状态的话，则这些文件描述符就是可读的，从而可以使得select、poll或者epoll返回。

close：当不再需要该文件描述符时，应该使用close关闭。与其他文件描述符一样，如果底层signalfd对象关联的所有文件描述符都关闭之后，则该对象的资源就会被内核释放掉。

结构体signalfd_siginfo的定义如下：

struct signalfd_siginfo
{
    uint32_t ssi_signo;   /* Signal number */
    int32_t  ssi_errno;   /* Error number (unused) */
    int32_t  ssi_code;    /* Signal code */
    uint32_t ssi_pid;     /* PID of sender */
    uint32_t ssi_uid;     /* Real UID of sender */
    int32_t  ssi_fd;      /* File descriptor (SIGIO) */
    uint32_t ssi_tid;     /* Kernel timer ID (POSIX timers) */
    uint32_t ssi_band;    /* Band event (SIGIO) */
    uint32_t ssi_overrun; /* POSIX timer overrun count */
    uint32_t ssi_trapno;  /* Trap number that caused signal */
    int32_t  ssi_status;  /* Exit status or signal (SIGCHLD) */
    int32_t  ssi_int;     /* Integer sent by sigqueue(3) */
    uint64_t ssi_ptr;     /* Pointer sent by sigqueue(3) */
    uint64_t ssi_utime;   /* User CPU time consumed (SIGCHLD) */
    uint64_t ssi_stime;   /* System CPU time consumed (SIGCHLD) */
    uint64_t ssi_addr;    /* Address that generated signal (for hardware-generated signals) */
    uint8_t  pad[X];      /* Pad size to 128 bytes (allow for additional fields in the future) */
};

该结构体中的每个成员都类似于结构体siginfo_t中的成员。对于一个特定的信号，read返回的signalfd_siginfo结构体中，并非所有的成员都是有效的；具体哪些成员是有意义的，可以通过成员ssi_code来检测，该成员类似于siginfo_t中的si_code成员。

fork之后，子进程拥有了父进程的signalfd文件描述符的副本，在子进程的文件描述符上调用read，将会返回子进程的未决信号。

类似于其他文件描述符，除非设置了close-on-exec标志，否则signalfd文件描述符在execve之后还是保持打开的，在execve之前可读的信号，在新的进程中依然可读。

在多线程环境中，signalfd文件描述符与标准的多线程中信号的语义是一样的。也就是说，当一个线程读取signalfd文件描述符时，它会读取到针对该线程的信号，以及针对整个进程的信号。

调用signalfd成功时，返回一个signalfd文件描述符，该描述符要么是一个新的signalfd描述符（fd为-1的情况下），要么就是fd（fd已经是个有效的signalfd描述符的情况下）。

调用signalfd错误时，返回-1，并设置相应的errno。

signalfd是linux特有的，自linux2.6.22才开始引入，在glibc的2.8版本中开始被支持。

一个进程可以创建多个signalfd文件描述符，这样可以在不同的signalfd描述符上等待不同的信号。如果多个文件描述符中的mask上具有同一个信号，当信号发生时，所有描述符都变得可读，可以从任意一个描述符读取该信号。这种情况下，如果使用select、poll或者epoll等待这些signalfd描述符，则这些描述符都会变成可读的，从其中之一读取之后，该信号就被消费掉，读取其他的描述符就会阻塞，所以要避免这种情况（已通过程序验证）。

例子：

#include <sys/signalfd.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#define handle_error(msg) \
   do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

int main(int argc, char *argv[])
{
   sigset_t mask;
   int sfd;
   struct signalfd_siginfo fdsi;
   ssize_t s;

   sigemptyset(&mask);
   sigaddset(&mask, SIGINT);
   sigaddset(&mask, SIGQUIT);

   if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL) == -1)
       handle_error("sigprocmask");

   sfd = signalfd(-1, &mask, 0);
   if (sfd == -1)
       handle_error("signalfd");

   for (;;) {
       s = read(sfd, &fdsi, sizeof(struct signalfd_siginfo));
       if (s != sizeof(struct signalfd_siginfo))
           handle_error("read");

       if (fdsi.ssi_signo == SIGINT) {
           printf("Got SIGINT\n");
       } else if (fdsi.ssi_signo == SIGQUIT) {
           printf("Got SIGQUIT\n");
           exit(EXIT_SUCCESS);
       } else {
           printf("Read unexpected signal\n");
       }
   }
}

结果：

$ ./signalfd_demo
^C                   # Control-C generates SIGINT
Got SIGINT
^C
Got SIGINT
^\                    # Control-\ generates SIGQUIT
Got SIGQUIT

参考：

《Unix环境高级编程》

man手册