38-38-信号（下）：项目组A完成了，如何及时通知项目组B？
信号处理最常见的流程主要是两步，第一步是注册信号处理函数，第二步是发送信号和处理信号。上一节，我们讲了注册信号处理函数，那一般什么情况下会产生信号呢？我们这一节就来看一看。
信号的发送
有时候，我们在终端输入某些组合键的时候，会给进程发送信号，例如，Ctrl+C产生SIGINT信号，Ctrl+Z产生SIGTSTP信号。
有的时候，硬件异常也会产生信号。比如，执行了除以0的指令，CPU就会产生异常，然后把SIGFPE信号发送给进程。再如，进程访问了非法内存，内存管理模块就会产生异常，然后把信号SIGSEGV发送给进程。
这里同样是硬件产生的，对于中断和信号还是要加以区别。咱们前面讲过，中断要注册中断处理函数，但是中断处理函数是在内核驱动里面的，信号也要注册信号处理函数，信号处理函数是在用户态进程里面的。
对于硬件触发的，无论是中断，还是信号，肯定是先到内核的，然后内核对于中断和信号处理方式不同。一个是完全在内核里面处理完毕，一个是将信号放在对应的进程task_struct里信号相关的数据结构里面，然后等待进程在用户态去处理。当然有些严重的信号，内核会把进程干掉。但是，这也能看出来，中断和信号的严重程度不一样，信号影响的往往是某一个进程，处理慢了，甚至错了，也不过这个进程被干掉，而中断影响的是整个系统。一旦中断处理中有了bug，可能整个Linux都挂了。
有时候，内核在某些情况下，也会给进程发送信号。例如，向读端已关闭的管道写数据时产生SIGPIPE信号，当子进程退出时，我们要给父进程发送SIG_CHLD信号等。
最直接的发送信号的方法就是，通过命令kill来发送信号了。例如，我们都知道的kill -9 pid可以发送信号给一个进程，杀死它。
另外，我们还可以通过kill或者sigqueue系统调用，发送信号给某个进程，也可以通过tkill或者tgkill发送信号给某个线程。虽然方式多种多样，但是最终都是调用了do_send_sig_info函数，将信号放在相应的task_struct的信号数据结构中。
- kill->kill_something_info->kill_pid_info->group_send_sig_info->do_send_sig_info
- tkill->do_tkill->do_send_specific->do_send_sig_info
- tgkill->do_tkill->do_send_specific->do_send_sig_info
- rt_sigqueueinfo->do_rt_sigqueueinfo->kill_proc_info->kill_pid_info->group_send_sig_info->do_send_sig_info
do_send_sig_info会调用send_signal，进而调用__send_signal。
SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid, int, sig)
{
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 = from_kuid_munged(current_user_ns(), current_uid());
return kill_something_info(sig, &info, pid);
}
static int __send_signal(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t,
int group, int from_ancestor_ns)
{
struct sigpending *pending;
struct sigqueue *q;
int override_rlimit;
int ret = 0, result;
......
pending = group ? &t->signal->shared_pending : &t->pending;
......
if (legacy_queue(pending, sig))
goto ret;
if (sig < SIGRTMIN)
override_rlimit = (is_si_special(info) || info->si_code >= 0);
else
override_rlimit = 0;
q = __sigqueue_alloc(sig, t, GFP_ATOMIC | __GFP_NOTRACK_FALSE_POSITIVE,
override_rlimit);
if (q) {
list_add_tail(&q->list, &pending->list);
switch ((unsigned long) info) {
case (unsigned long) SEND_SIG_NOINFO:
q->info.si_signo = sig;
q->info.si_errno = 0;
q->info.si_code = SI_USER;
q->info.si_pid = task_tgid_nr_ns(current,
task_active_pid_ns(t));
q->info.si_uid = from_kuid_munged(current_user_ns(), current_uid());
break;
case (unsigned long) SEND_SIG_PRIV:
q->info.si_signo = sig;
q->info.si_errno = 0;
q->info.si_code = SI_KERNEL;
q->info.si_pid = 0;
q->info.si_uid = 0;
break;
default:
copy_siginfo(&q->info, info);
if (from_ancestor_ns)
q->info.si_pid = 0;
break;
}
userns_fixup_signal_uid(&q->info, t);
}
......
out_set:
signalfd_notify(t, sig);
sigaddset(&pending->signal, sig);
complete_signal(sig, t, group);
ret:
return ret;
}
在这里，我们看到，在学习进程数据结构中task_struct里面的sigpending。在上面的代码里面，我们先是要决定应该用哪个sigpending。这就要看我们发送的信号，是给进程的还是线程的。如果是kill发送的，也就是发送给整个进程的，就应该发送给t->signal->shared_pending。这里面是整个进程所有线程共享的信号；如果是tkill发送的，也就是发给某个线程的，就应该发给t->pending。这里面是这个线程的task_struct独享的。
struct sigpending里面有两个成员，一个是一个集合sigset_t，表示都收到了哪些信号，还有一个链表，也表示收到了哪些信号。它的结构如下：
struct sigpending {
struct list_head list;
sigset_t signal;
};
如果都表示收到了信号，这两者有什么区别呢？我们接着往下看__send_signal里面的代码。接下来，我们要调用legacy_queue。如果满足条件，那就直接退出。那legacy_queue里面判断的是什么条件呢？我们来看它的代码。
static inline int legacy_queue(struct sigpending *signals, int sig)
{
return (sig < SIGRTMIN) && sigismember(&signals->signal, sig);
}
#define SIGRTMIN 32
#define SIGRTMAX _NSIG
#define _NSIG 64
当信号小于SIGRTMIN，也即32的时候，如果我们发现这个信号已经在集合里面了，就直接退出了。这样会造成什么现象呢？就是信号的丢失。例如，我们发送给进程100个SIGUSR1（对应的信号为10），那最终能够被我们的信号处理函数处理的信号有多少呢？这就不好说了，比如总共5个SIGUSR1，分别是A、B、C、D、E。
如果这五个信号来得太密。A来了，但是信号处理函数还没来得及处理，B、C、D、E就都来了。根据上面的逻辑，因为A已经将SIGUSR1放在sigset_t集合中了，因而后面四个都要丢失。 如果是另一种情况，A来了已经被信号处理函数处理了，内核在调用信号处理函数之前，我们会将集合中的标志位清除，这个时候B再来，B还是会进入集合，还是会被处理，也就不会丢。
这样信号能够处理多少，和信号处理函数什么时候被调用，信号多大频率被发送，都有关系，而且从后面的分析，我们可以知道，信号处理函数的调用时间也是不确定的。看小于32的信号如此不靠谱，我们就称它为不可靠信号。
如果大于32的信号是什么情况呢？我们接着看。接下来，__sigqueue_alloc会分配一个struct sigqueue对象，然后通过list_add_tail挂在struct sigpending里面的链表上。这样就靠谱多了是不是？如果发送过来100个信号，变成链表上的100项，都不会丢，哪怕相同的信号发送多遍，也处理多遍。因此，大于32的信号我们称为可靠信号。当然，队列的长度也是有限制的，如果我们执行ulimit命令，可以看到，这个限制pending signals (-i) 15408。
当信号挂到了task_struct结构之后，最后我们需要调用complete_signal。这里面的逻辑也很简单，就是说，既然这个进程有了一个新的信号，赶紧找一个线程处理一下吧。
static void complete_signal(int sig, struct task_struct *p, int group)
{
struct signal_struct *signal = p->signal;
struct task_struct *t;
/*
* Now find a thread we can wake up to take the signal off the queue.
*
* If the main thread wants the signal, it gets first crack.
* Probably the least surprising to the average bear.
*/
if (wants_signal(sig, p))
t = p;
else if (!group || thread_group_empty(p))
/*
* There is just one thread and it does not need to be woken.
* It will dequeue unblocked signals before it runs again.
*/
return;
else {
/*
* Otherwise try to find a suitable thread.
*/
t = signal->curr_target;
while (!wants_signal(sig, t)) {
t = next_thread(t);
if (t == signal->curr_target)
return;
}
signal->curr_target = t;
}
......
/*
* The signal is already in the shared-pending queue.
* Tell the chosen thread to wake up and dequeue it.
*/
signal_wake_up(t, sig == SIGKILL);
return;
}
在找到了一个进程或者线程的task_struct之后，我们要调用signal_wake_up，来企图唤醒它，signal_wake_up会调用signal_wake_up_state。
void signal_wake_up_state(struct task_struct *t, unsigned int state)
{
set_tsk_thread_flag(t, TIF_SIGPENDING);
if (!wake_up_state(t, state | TASK_INTERRUPTIBLE))
kick_process(t);
}
signal_wake_up_state里面主要做了两件事情。第一，就是给这个线程设置TIF_SIGPENDING，这就说明其实信号的处理和进程的调度是采取这样一种类似的机制。还记得咱们调度的时候是怎么操作的吗？
当发现一个进程应该被调度的时候，我们并不直接把它赶下来，而是设置一个标识位TIF_NEED_RESCHED，表示等待调度，然后等待系统调用结束或者中断处理结束，从内核态返回用户态的时候，调用schedule函数进行调度。信号也是类似的，当信号来的时候，我们并不直接处理这个信号，而是设置一个标识位TIF_SIGPENDING，来表示已经有信号等待处理。同样等待系统调用结束，或者中断处理结束，从内核态返回用户态的时候，再进行信号的处理。
signal_wake_up_state的第二件事情，就是试图唤醒这个进程或者线程。wake_up_state会调用try_to_wake_up方法。这个函数我们讲进程的时候讲过，就是将这个进程或者线程设置为TASK_RUNNING，然后放在运行队列中，这个时候，当随着时钟不断的滴答，迟早会被调用。如果wake_up_state返回0，说明进程或者线程已经是TASK_RUNNING状态了，如果它在另外一个CPU上运行，则调用kick_process发送一个处理器间中断，强制那个进程或者线程重新调度，重新调度完毕后，会返回用户态运行。这是一个时机会检查TIF_SIGPENDING标识位。
信号的处理
好了，信号已经发送到位了，什么时候真正处理它呢？
就是在从系统调用或者中断返回的时候，咱们讲调度的时候讲过，无论是从系统调用返回还是从中断返回，都会调用exit_to_usermode_loop，只不过我们上次主要关注了_TIF_NEED_RESCHED这个标识位，这次我们重点关注_TIF_SIGPENDING标识位。
static void exit_to_usermode_loop(struct pt_regs *regs, u32 cached_flags)
{
while (true) {
......
if (cached_flags & _TIF_NEED_RESCHED)
schedule();
......
/* deal with pending signal delivery */
if (cached_flags & _TIF_SIGPENDING)
do_signal(regs);
......
if (!(cached_flags & EXIT_TO_USERMODE_LOOP_FLAGS))
break;
}
}
如果在前一个环节中，已经设置了_TIF_SIGPENDING，我们就调用do_signal进行处理。
void do_signal(struct pt_regs *regs)
{
struct ksignal ksig;
if (get_signal(&ksig)) {
/* Whee! Actually deliver the signal. */
handle_signal(&ksig, regs);
return;
}
/* Did we come from a system call? */
if (syscall_get_nr(current, regs) >= 0) {
/* Restart the system call - no handlers present */
switch (syscall_get_error(current, regs)) {
case -ERESTARTNOHAND:
case -ERESTARTSYS:
case -ERESTARTNOINTR:
regs->ax = regs->orig_ax;
regs->ip -= 2;
break;
case -ERESTART_RESTARTBLOCK:
regs->ax = get_nr_restart_syscall(regs);
regs->ip -= 2;
break;
}
}
restore_saved_sigmask();
}
do_signal会调用handle_signal。按说，信号处理就是调用用户提供的信号处理函数，但是这事儿没有看起来这么简单，因为信号处理函数是在用户态的。
咱们又要来回忆系统调用的过程了。这个进程当时在用户态执行到某一行Line A，调用了一个系统调用，在进入内核的那一刻，在内核pt_regs里面保存了用户态执行到了Line A。现在我们从系统调用返回用户态了，按说应该从pt_regs拿出Line A，然后接着Line A执行下去，但是为了响应信号，我们不能回到用户态的时候返回Line A了，而是应该返回信号处理函数的起始地址。
static void
handle_signal(struct ksignal *ksig, struct pt_regs *regs)
{
bool stepping, failed;
......
/* Are we from a system call? */
if (syscall_get_nr(current, regs) >= 0) {
/* If so, check system call restarting.. */
switch (syscall_get_error(current, regs)) {
case -ERESTART_RESTARTBLOCK:
case -ERESTARTNOHAND:
regs->ax = -EINTR;
break;
case -ERESTARTSYS:
if (!(ksig->ka.sa.sa_flags & SA_RESTART)) {
regs->ax = -EINTR;
break;
}
/* fallthrough */
case -ERESTARTNOINTR:
regs->ax = regs->orig_ax;
regs->ip -= 2;
break;
}
}
......
failed = (setup_rt_frame(ksig, regs) < 0);
......
signal_setup_done(failed, ksig, stepping);
}
这个时候，我们就需要干预和自己来定制pt_regs了。这个时候，我们要看，是否从系统调用中返回。如果是从系统调用返回的话，还要区分我们是从系统调用中正常返回，还是在一个非运行状态的系统调用中，因为会被信号中断而返回。
我们这里解析一个最复杂的场景。还记得咱们解析进程调度的时候，我们举的一个例子，就是从一个tap网卡中读取数据。当时我们主要关注schedule那一行，也即如果当发现没有数据的时候，就调用schedule，自己进入等待状态，然后将CPU让给其他进程。具体的代码如下：
static ssize_t tap_do_read(struct tap_queue *q,
struct iov_iter *to,
int noblock, struct sk_buff *skb)
{
......
while (1) {
if (!noblock)
prepare_to_wait(sk_sleep(&q->sk), &wait,
TASK_INTERRUPTIBLE);
/* Read frames from the queue */
skb = skb_array_consume(&q->skb_array);
if (skb)
break;
if (noblock) {
ret = -EAGAIN;
break;
}
if (signal_pending(current)) {
ret = -ERESTARTSYS;
break;
}
/* Nothing to read, let's sleep */
schedule();
}
......
}
这里我们关注和信号相关的部分。这其实是一个信号中断系统调用的典型逻辑。
首先，我们把当前进程或者线程的状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE，这样才能使这个系统调用可以被中断。
其次，可以被中断的系统调用往往是比较慢的调用，并且会因为数据不就绪而通过schedule让出CPU进入等待状态。在发送信号的时候，我们除了设置这个进程和线程的_TIF_SIGPENDING标识位之外，还试图唤醒这个进程或者线程，也就是将它从等待状态中设置为TASK_RUNNING。
当这个进程或者线程再次运行的时候，我们根据进程调度第一定律，从schedule函数中返回，然后再次进入while循环。由于这个进程或者线程是由信号唤醒的，而不是因为数据来了而唤醒的，因而是读不到数据的，但是在signal_pending函数中，我们检测到了_TIF_SIGPENDING标识位，这说明系统调用没有真的做完，于是返回一个错误ERESTARTSYS，然后带着这个错误从系统调用返回。
然后，我们到了exit_to_usermode_loop->do_signal->handle_signal。在这里面，当发现出现错误ERESTARTSYS的时候，我们就知道这是从一个没有调用完的系统调用返回的，设置系统调用错误码EINTR。
接下来，我们就开始折腾pt_regs了，主要通过调用setup_rt_frame->__setup_rt_frame。
static int __setup_rt_frame(int sig, struct ksignal *ksig,
sigset_t *set, struct pt_regs *regs)
{
struct rt_sigframe __user *frame;
void __user *fp = NULL;
int err = 0;
frame = get_sigframe(&ksig->ka, regs, sizeof(struct rt_sigframe), &fp);
......
put_user_try {
......
/* Set up to return from userspace. If provided, use a stub
already in userspace. */
/* x86-64 should always use SA_RESTORER. */
if (ksig->ka.sa.sa_flags & SA_RESTORER) {
put_user_ex(ksig->ka.sa.sa_restorer, &frame->pretcode);
}
} put_user_catch(err);
err |= setup_sigcontext(&frame->uc.uc_mcontext, fp, regs, set->sig[0]);
err |= __copy_to_user(&frame->uc.uc_sigmask, set, sizeof(*set));
/* Set up registers for signal handler */
regs->di = sig;
/* In case the signal handler was declared without prototypes */
regs->ax = 0;
regs->si = (unsigned long)&frame->info;
regs->dx = (unsigned long)&frame->uc;
regs->ip = (unsigned long) ksig->ka.sa.sa_handler;
regs->sp = (unsigned long)frame;
regs->cs = __USER_CS;
......
return 0;
}
frame的类型是rt_sigframe。frame的意思是帧。我们只有在学习栈的时候，提到过栈帧的概念。对的，这个frame就是一个栈帧。
我们在get_sigframe中会得到pt_regs的sp变量，也就是原来这个程序在用户态的栈顶指针，然后get_sigframe中，我们会将sp减去sizeof(struct rt_sigframe)，也就是把这个栈帧塞到了栈里面，然后我们又在__setup_rt_frame中把regs->sp设置成等于frame。这就相当于强行在程序原来的用户态的栈里面插入了一个栈帧，并在最后将regs->ip设置为用户定义的信号处理函数sa_handler。这意味着，本来返回用户态应该接着原来的代码执行的，现在不了，要执行sa_handler了。那执行完了以后呢？按照函数栈的规则，弹出上一个栈帧来，也就是弹出了frame。
那如果我们假设sa_handler成功返回了，怎么回到程序原来在用户态运行的地方呢？玄机就在frame里面。要想恢复原来运行的地方，首先，原来的pt_regs不能丢，这个没问题，是在setup_sigcontext里面，将原来的pt_regs保存在了frame中的uc_mcontext里面。
另外，很重要的一点，程序如何跳过去呢？在__setup_rt_frame中，还有一个不引起重视的操作，那就是通过put_user_ex，将sa_restorer放到了frame->pretcode里面，而且还是按照函数栈的规则。函数栈里面包含了函数执行完跳回去的地址。当sa_handler执行完之后，弹出的函数栈是frame，也就应该跳到sa_restorer的地址。这是什么地址呢？
咱们在sigaction介绍的时候就没有介绍它，在Glibc的__libc_sigaction函数中也没有注意到，它被赋值成了restore_rt。这其实就是sa_handler执行完毕之后，马上要执行的函数。从名字我们就能感觉到，它将恢复原来程序运行的地方。
在Glibc中，我们可以找到它的定义，它竟然调用了一个系统调用，系统调用号为__NR_rt_sigreturn。
RESTORE (restore_rt, __NR_rt_sigreturn)
#define RESTORE(name, syscall) RESTORE2 (name, syscall)
# define RESTORE2(name, syscall) \
asm \
( \
".LSTART_" #name ":\n" \
" .type __" #name ",@function\n" \
"__" #name ":\n" \
" movq $" #syscall ", %rax\n" \
" syscall\n" \
......
我们可以在内核里面找到__NR_rt_sigreturn对应的系统调用。
asmlinkage long sys_rt_sigreturn(void)
{
struct pt_regs *regs = current_pt_regs();
struct rt_sigframe __user *frame;
sigset_t set;
unsigned long uc_flags;
frame = (struct rt_sigframe __user *)(regs->sp - sizeof(long));
if (__copy_from_user(&set, &frame->uc.uc_sigmask, sizeof(set)))
goto badframe;
if (__get_user(uc_flags, &frame->uc.uc_flags))
goto badframe;
set_current_blocked(&set);
if (restore_sigcontext(regs, &frame->uc.uc_mcontext, uc_flags))
goto badframe;
......
return regs->ax;
......
}
在这里面，我们把上次填充的那个rt_sigframe拿出来，然后restore_sigcontext将pt_regs恢复成为原来用户态的样子。从这个系统调用返回的时候，应用还误以为从上次的系统调用返回的呢。
至此，整个信号处理过程才全部结束。
总结时刻
信号的发送与处理是一个复杂的过程，这里来总结一下。
- 假设我们有一个进程A，main函数里面调用系统调用进入内核。
- 按照系统调用的原理，会将用户态栈的信息保存在pt_regs里面，也即记住原来用户态是运行到了line A的地方。
- 在内核中执行系统调用读取数据。
- 当发现没有什么数据可读取的时候，只好进入睡眠状态，并且调用schedule让出CPU，这是进程调度第一定律。
- 将进程状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE，可中断的睡眠状态，也即如果有信号来的话，是可以唤醒它的。
- 其他的进程或者shell发送一个信号，有四个函数可以调用kill、tkill、tgkill、rt_sigqueueinfo。
- 四个发送信号的函数，在内核中最终都是调用do_send_sig_info。
- do_send_sig_info调用send_signal给进程A发送一个信号，其实就是找到进程A的task_struct，或者加入信号集合，为不可靠信号，或者加入信号链表，为可靠信号。
- do_send_sig_info调用signal_wake_up唤醒进程A。
- 进程A重新进入运行状态TASK_RUNNING，根据进程调度第一定律，一定会接着schedule运行。
- 进程A被唤醒后，检查是否有信号到来，如果没有，重新循环到一开始，尝试再次读取数据，如果还是没有数据，再次进入TASK_INTERRUPTIBLE，即可中断的睡眠状态。
- 当发现有信号到来的时候，就返回当前正在执行的系统调用，并返回一个错误表示系统调用被中断了。
- 系统调用返回的时候，会调用exit_to_usermode_loop。这是一个处理信号的时机。
- 调用do_signal开始处理信号。
- 根据信号，得到信号处理函数sa_handler，然后修改pt_regs中的用户态栈的信息，让pt_regs指向sa_handler。同时修改用户态的栈，插入一个栈帧sa_restorer，里面保存了原来的指向line A的pt_regs，并且设置让sa_handler运行完毕后，跳到sa_restorer运行。
- 返回用户态，由于pt_regs已经设置为sa_handler，则返回用户态执行sa_handler。
- sa_handler执行完毕后，信号处理函数就执行完了，接着根据第15步对于用户态栈帧的修改，会跳到sa_restorer运行。
- sa_restorer会调用系统调用rt_sigreturn再次进入内核。
- 在内核中，rt_sigreturn恢复原来的pt_regs，重新指向line A。
- 从rt_sigreturn返回用户态，还是调用exit_to_usermode_loop。
- 这次因为pt_regs已经指向line A了，于是就到了进程A中，接着系统调用之后运行，当然这个系统调用返回的是它被中断了，没有执行完的错误。
课堂练习
在Linux内核里面，很多地方都存在信号和信号处理，所以signal_pending这个函数也随处可见，这样我们就能判断是否有信号发生。请你在内核代码中找到signal_pending出现的一些地方，看有什么规律，我们后面的章节会经常遇到它。
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