信号的内核结构
下面是Linux内核 task_struct 中进程信号相关的字段。
struct task_struct {
...
/* Signal handlers: */
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct __rcu *sighand;
sigset_t blocked;
sigset_t real_blocked;
/* Restored if set_restore_sigmask() was used: */
sigset_t saved_sigmask;
struct sigpending pending;
...
}
1. 信号回调函数
用 signal() 注册的信号处理函数，会被存储在 sighand_struct 结构体的 action 数组中，该数组存储了每个信号对应的回调操作。__sighandler_t 即是回调函数的类型 void(int)。
struct sighand_struct {
spinlock_t siglock;
refcount_t count;
wait_queue_head_t signalfd_wqh;
struct k_sigaction action[_NSIG];
};
...
struct k_sigaction {
struct sigaction sa;
...
};
...
struct sigaction {
...
__sighandler_t sa_handler;
unsigned long sa_flags;
...
};
...
typedef void __signalfn_t(int);
typedef __signalfn_t __user *__sighandler_t;
2. 信号集 sigset_t
sigset_t 是一个位图结构，它用二进制的 0 和 1 标记信号是否有效。
#define __BITS_PER_LONG 64
...
#define _NSIG_BPW __BITS_PER_LONG
#define _NSIG_WORDS (_NSIG / _NSIG_BPW)
...
typedef struct {
unsigned long sig[_NSIG_WORDS];
} sigset_t;
signal.h 中提供了对该位图数据结构的操作方法。
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set); // 将位图所有位复位为0
int sigfillset(sigset_t *set); // 将位图所有位置位位1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum); // 将signum信号设为有效（置位）
int sigdelset(sigset_t *set, int signum); // 将signum信号设为无效（复位）
int sigismember(const sigset_t *set, int signum); // 判断位图中signum信号是否有效
3. 待决信号集 pending
pending 是一个链表结构，记录了已经发送给进程但尚未处理的信号集。
struct sigpending {
struct list_head list;
sigset_t signal;
};
...
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
当进程接收到一个信号时，内核会将该信号添加到进程的挂起信号列表中，也就是将信号添加到 pending 链表中。这意味着该信号已经到达进程，但尚未被处理。
系统调用 sigpending() 可以获取当前进程的待决信号集 pending。
#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
当进程在处理一个信号时，如果另一个相同类型的信号到达，则该信号会被合并到挂起信号列表中，而不是立即触发新的信号处理。这样可以避免在短时间内多次触发相同类型的信号处理函数，从而提高效率。
4. 阻塞信号集 block
进程可以选择阻塞（block）某些信号，以防止它们被递送到进程。当信号被阻塞时，它们仍然会到达进程，但会被暂时挂起，直到解除阻塞为止。
进程可以使用系统调用 sigprocmask() 来获取或修改当前的进程屏蔽字。
#include <signal.h>
/* Prototype for the glibc wrapper function */
int sigprocmask(int how, const sigset_t *_Nullable restrict set,
sigset_t *_Nullable restrict oldset);
如果 set 传入非空指针，它将会作为输入参数，改变进程当前的阻塞信号集为 set。当 oldset 传入非空指针时，它将作为输出参数，返回当前或修改前的阻塞信号集。
参数 how 指示了如何操作信号集。
参数how的取值
我们用 block 表示当前进程的阻塞信号集合。
SIG_BLOCK：The set of blocked signals is the union of the current set and the set argument.
取并集：block |= set
SIG_UNBLOCK：The signals in set are removed from the current set of blocked signals. It is permissible to attempt to unblock a signal which is not blocked.
移除：block &= ~set
SIG_SETMASK：The set of blocked signals is set to the argument set.
直接替换：block = set
5. 示例代码
我们可以编写以下的代码直观地感受信号是如何被阻塞的。
#include <signal.h>
#include <iostream>
// 打印一个信号集
void print_sigset(sigset_t& sigset) {
std::cout << "pending: [";
const char* split = "";
for (size_t i = 1; i < NSIG; ++i) {
if (sigismember(&sigset, i)) {
std::cout << split << i;
split = ",";
}
}
std::cout << "]" << std::endl;
}
int main() {
// 阻塞所有信号
sigset_t sigset;
sigfillset(&sigset);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &sigset, nullptr);
// 轮询检查pending信号集
while (true) {
sigset_t pending;
sigpending(&pending);
print_sigset(pending);
sleep(1);
}
return 0;
}
编译运行代码。尝试按下 CTRL + C 以及 CTRL + L。（你需要使用 kill 命令发送 SIGKILL 信号来结束这个进程）
$ ./main
pending: []
pending: []
^Cpending: [2]
pending: [2]
^\pending: [2,3]
pending: [2,3]
pending: [2,3]
...
可以发现，由于信号被阻塞了，所以待决信号集中出现了我们发送的信号。
我们也可以尝试在其他终端下使用 kill 命令发送其他信号。
kill -11 $(pidof main)
kill -45 $(pidof main)
kill -14 $(pidof main)
...
pending: [2,3]
...
pending: [2,3,11]
...
pending: [2,3,11,45]
...
pending: [2,3,11,14,45]
当信号解除阻塞时，pending 中待决的信号会立即被处理。我们可以在上面代码的死循环中加入以下内容，让其在第5次循环时解除所有信号的阻塞。
...
// 轮询检查pending信号集
size_t cnt = 0;
while (true) {
sigset_t pending;
sigpending(&pending);
print_sigset(pending);
// 第五次循环时解除所有阻塞
if (++cnt == 5) {
std::cout << "解除阻塞" << std::endl;
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &sigset, nullptr);
}
sleep(1);
}
...
编译运行代码，在程序开始运行后的5秒内按下 CTRL + C 或 CTRL + L 发送信号，观察结果。
$ ./main
pending: []
pending: []
^\pending: [3]
pending: [3]
pending: [3]
解除阻塞
退出 (核心已转储)
$ echo $?
131
我们发现，在解除阻塞之后，待决的 SIGQUIT 信号立刻被处理了。