Linux signal 那些事儿 （3）

24480阅读　2评论2014-01-05　Bean_lee
分类：LINUX

    这篇博客，想集中在signal 与线程的关系上，顺带介绍内核signal相关的结构。如何组织我其实并没想好，想到哪就写到哪里吧。主题一定会落在signal之内而不跑题。
    提到signal与thread的关系，就得先提POSIX标准。POSIX标准决定了Linux为何将signal如此实现：
   1 信号处理函数必须在多线程应用的所有线程之间共享，但是，每个线程要有自己的挂起信号掩码和阻塞信号掩码。
   2 POSIX 函数kill/sigqueue必须面向所有的多线程应用而不是某个特殊的线程。
   3 每个发给多线程应用的信号仅传送给1个线程，这个线程是由内核从不会阻塞该信号的线程中随意选出。
   4 如果发送一个致命信号到多线程，那么内核将杀死该应用的所有线程，而不仅仅是接收信号的那个线程。

    上面是POSIX标准，也就是提出来的要求，Linux要遵循POSIX标准，那Linux是怎么做到的呢？
    到了此处，我们需要理清一些基本的概念：
  1. struct task_struct {

  3.     pid_t pid;
  4.     pid_t tgid
  5.       .....
  6.     struct task_struct *group_leader;    /* threadgroup leader */
  7.       ......
  8.     struct list_head thread_group;
  9.         ....
  10. }
    从字面意思上看 pid，是process id，其则不然，pid是thread id。从字面意思上看，tgid是thread group id，其则是真正的pid。
    有点绕是不是？对于一个多线程的程序，无论是哪个线程执行getpid，结果都是一样的，最终返回的同一个值 tgid。如果我们实现了gettid（很不幸的是glibc没有这个函数，所以我们要用syscall），我们就会发现，各个线程返回的值不同，此时，返回的值是内核task_struct中的pid。对于多线程应用/proc/pid/task可以看到的，就是线程的thread id，也就是task_struct中的pid。
   
    我在我的博文Linux线程之线程 线程组 进程 轻量级进程（LWP）提到了这个问题。我不想多浪费笔墨赘述。
    group leader字段，指向线程组的第一个线程。对于我们自己的程序而言，main函数所在的线程，也就是线程组的第一个线程，所以group leader就会他自己。一旦用pthread_create创建了线程，那么main所在的线程，还有创建出来的线程，隶属于同一个线程组，线程的group leader还是main函数所在的线程id。
    thread_group，同一线程组的所有线程的队列。对于group_leader,这是一个队列头，对于同一线程组的其他线程，通过这个字段挂入队列。可以根据这个队列，遍历线程组的所有线程。
     是时候看看内核代码了,下面的代码属于do_fork函数及copy_process函数的一些代码。       
  1.     p->pid = pid_nr(pid);
  2.     p->tgid = p->pid;
  3.     if (clone_flags & CLONE_THREAD)//创建线程，tgid等于当前线程的
  4.         p->tgid = current->tgid;


  7.     p->group_leader = p;
  8.     INIT_LIST_HEAD(&p->thread_group);

  10.     if (clone_flags & CLONE_THREAD) { //线程处理部分，group_leader都是第一个线程。同时挂入队列
  11.         current->signal->nr_threads++;
  12.         atomic_inc(&current->signal->live);
  13.         atomic_inc(&current->signal->sigcnt);
  14.         p->group_leader = current->group_leader;
  15.         list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group);
  16.     }
    代码表明，第一个线程呢，pid和tgid相同，都是分配的那个pid，group_leader也是自己。后面第二个线程，pid是自己的，但是tgid 等于创建者的tgid，group_leader指向第一个线程的task_struct. 后面创建的所有的线程，都会挂入队列，方便遍线程组的所有线程。
    有了线程组的概念，我们就可以进一步解释signal相关的内容了。 
  1.     /* signal handlers */
  2.     struct signal_struct *signal;
  3.     struct sighand_struct *sighand;

  5.     sigset_t blocked, real_blocked;
  6.     sigset_t saved_sigmask;    /* restored if set_restore_sigmask() was used */
  7.     struct sigpending pending;
    
    线程组里面的所有成员共享一个signal_struct类型结构，同一线程组的多线程的task_struct 中的signal指针都是指向同一个signal_struct。sighand成员变量也是如此，统一个线程组的多个线程指向同一个signalhand_struct结构。  
  1. static int copy_signal(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
  2. {
  3.     struct signal_struct *sig;

  5.     if (clone_flags & CLONE_THREAD) //线程，直接返回，表明同一线程组共享
  6.         return 0;

  8.     sig = kmem_cache_zalloc(signal_cachep, GFP_KERNEL);
  9.     tsk->signal = sig;
  10.     if (!sig)
  11.         return -ENOMEM;

  13.     sig->nr_threads = 1;
  14.     atomic_set(&sig->live, 1);
  15.     atomic_set(&sig->sigcnt, 1);
  16.     init_waitqueue_head(&sig->wait_chldexit);
  17.     sig->curr_target = tsk;
  18.         。。。。
  19. }


  22. static int copy_sighand(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
  23. {
  24.     struct sighand_struct *sig;

  26.     if (clone_flags & CLONE_SIGHAND) {
  27.         atomic_inc(&current->sighand->count); //如果发现是线程，直接讲引用计数++，无需分配sighand_struct结构
  28.         return 0;
  29.     }
  30.     sig = kmem_cache_alloc(sighand_cachep, GFP_KERNEL);
  31.     rcu_assign_pointer(tsk->sighand, sig);
  32.     if (!sig)
  33.         return -ENOMEM;
  34.     atomic_set(&sig->count, 1);
  35.     memcpy(sig->action, current->sighand->action, sizeof(sig->action));
  36.     return 0;
  37. }
    这就基本实现了多线程应用中，信号处理程序是共享的，因为他们共用一个signalhand_struct。
    上一篇博文提到，signal->shared_pending 和pending两个挂起信号相关的数据结构，此处我们可以具体讲解了。signal是线程组共享的结构，自然下属的shared_pending也是线程组共享的。就像POSIX提到的，kill/sigqueue发送信号，发送的对象并不是线程组某个特定的线程，而是整个线程组。自然，如果kernel会将信号记录在全线程组共享的signal->shared_pending,表示，线程组收到信号X一枚。
    有筒子说了，我就要给某个特定的线程发信号，有没有办法，内核怎么办？这是个好问题。   
  1.   int tkill(int tid, int sig);

  3.   int tgkill(int tgid, int tid, int sig)
    这两个API是给线程组特定线程发信号的，毫不意外，内核会将信号记录在线程自己的结构pending中。
  1. pending = group ? &t->signal->shared_pending : &t->pending;
    对于kill/sigqueue，__send_signal传进来的是group是true，对于tkill/tgkill传进来的是false。会将信号写入相应的挂起信号位图。
  1. static int __send_signal(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t,
  2.             int group, int from_ancestor_ns)
  3. {
  4.     struct sigpending *pending;
  5.     struct sigqueue *q;
  6.     int override_rlimit;
  7.     int ret = 0, result;

  9.     assert_spin_locked(&t->sighand->siglock);

  11.     result = TRACE_SIGNAL_IGNORED;
  12.     if (!prepare_signal(sig, t,
  13.             from_ancestor_ns || (info == SEND_SIG_FORCED)))
  14.         goto ret;

  16.     pending = group ? &t->signal->shared_pending : &t->pending;   // tkill用的自己的pending，
  17.                                                                   // kill/sigqueue用的线程组共享的signal->shared_pending
  18.     /*
  19.      * Short-circuit ignored signals and support queuing
  20.      * exactly one non-rt signal, so that we can get more
  21.      * detailed information about the cause of the signal.
  22.      */
  23.     result = TRACE_SIGNAL_ALREADY_PENDING;
  24.     if (legacy_queue(pending, sig))
  25.         goto ret;

  27.     result = TRACE_SIGNAL_DELIVERED;
  28.     /*
  29.      * fast-pathed signals for kernel-internal things like SIGSTOP
  30.      * or SIGKILL.
  31.      */
  32.     if (info == SEND_SIG_FORCED)
  33.         goto out_set;

  35.     /*
  36.      * Real-time signals must be queued if sent by sigqueue, or
  37.      * some other real-time mechanism. It is implementation
  38.      * defined whether kill() does so. We attempt to do so, on
  39.      * the principle of least surprise, but since kill is not
  40.      * allowed to fail with EAGAIN when low on memory we just
  41.      * make sure at least one signal gets delivered and don't
  42.      * pass on the info struct.
  43.      */
  44.     if (sig < SIGRTMIN)
  45.         override_rlimit = (is_si_special(info) || info->si_code >= 0);
  46.     else
  47.         override_rlimit = 0;

  49.     q = __sigqueue_alloc(sig, t, GFP_ATOMIC | __GFP_NOTRACK_FALSE_POSITIVE,
  50.         override_rlimit);
  51.     if (q) {
  52.         list_add_tail(&q->list, &pending->list);
  53.         switch ((unsigned long) info) {
  54.         case (unsigned long) SEND_SIG_NOINFO:
  55.             q->info.si_signo = sig;
  56.             q->info.si_errno = 0;
  57.             q->info.si_code = SI_USER;
  58.             q->info.si_pid = task_tgid_nr_ns(current,
  59.                             task_active_pid_ns(t));
  60.             q->info.si_uid = from_kuid_munged(current_user_ns(), current_uid());
  61.             break;
  62.         case (unsigned long) SEND_SIG_PRIV:
  63.             q->info.si_signo = sig;
  64.             q->info.si_errno = 0;
  65.             q->info.si_code = SI_KERNEL;
  66.             q->info.si_pid = 0;
  67.             q->info.si_uid = 0;
  68.             break;
  69.         default:
  70.             copy_siginfo(&q->info, info);
  71.             if (from_ancestor_ns)
  72.                 q->info.si_pid = 0;
  73.             break;
  74.         }

  76.         userns_fixup_signal_uid(&q->info, t);

  78.     } else if (!is_si_special(info)) {
  79.         if (sig >= SIGRTMIN && info->si_code != SI_USER) {
  80.             /*
  81.              * Queue overflow, abort. We may abort if the
  82.              * signal was rt and sent by user using something
  83.              * other than kill().
  84.              */
  85.             result = TRACE_SIGNAL_OVERFLOW_FAIL;
  86.             ret = -EAGAIN;
  87.             goto ret;
  88.         } else {
  89.             /*
  90.              * This is a silent loss of information. We still
  91.              * send the signal, but the *info bits are lost.
  92.              */
  93.             result = TRACE_SIGNAL_LOSE_INFO;
  94.         }
  95.     }

  97. out_set:
  98.     signalfd_notify(t, sig);
  99.     sigaddset(&pending->signal, sig);//修改位图，表明该信号存在挂起信号。
  100.     complete_signal(sig, t, group);
  101. ret:
  102.     trace_signal_generate(sig, info, t, group, result);
  103.     return ret;
  104. }
    线程存在一个很让人迷惑的问题，如何让线程组的所有线程一起退出。我们都知道，多线程的程序有一个线程访问了非法地址，引发段错误，会造成所有线程一起退出。这也是多线程程序脆弱的地方。但是如何做到的呢？
    do_signal--->get_signal_to_deliver中，会选择信号，如果发现需要退出，会执行do_group_exit。这个名字顾名思义了，线程组退出。   
  1. void
  2. do_group_exit(int exit_code)
  3. {
  4.     struct signal_struct *sig = current->signal;

  6.     BUG_ON(exit_code & 0x80); /* core dumps don't get here */

  8.     if (signal_group_exit(sig))
  9.         exit_code = sig->group_exit_code;
  10.     else if (!thread_group_empty(current)) {
  11.         struct sighand_struct *const sighand = current->sighand;
  12.         spin_lock_irq(&sighand->siglock);
  13.         if (signal_group_exit(sig))
  14.             /* Another thread got here before we took the lock. */
  15.             exit_code = sig->group_exit_code;
  16.         else {
  17.             sig->group_exit_code = exit_code;
  18.             sig->flags = SIGNAL_GROUP_EXIT;
  19.             zap_other_threads(current);
  20.         }
  21.         spin_unlock_irq(&sighand->siglock);
  22.     }

  24.     do_exit(exit_code);
  25.     /* NOTREACHED */
  26. }
    如果是多线程，会走入到else中，主要的操作都在zap_other_threads函数中：
  1. /*
  2.  * Nuke all other threads in the group.
  3.  */
  4. int zap_other_threads(struct task_struct *p)
  5. {
  6.     struct task_struct *t = p;
  7.     int count = 0;

  9.     p->signal->group_stop_count = 0;

  11.     while_each_thread(p, t) {
  12.         task_clear_jobctl_pending(t, JOBCTL_PENDING_MASK);
  13.         count++;

  15.         /* Don't bother with already dead threads */
  16.         if (t->exit_state)
  17.             continue;
  18.         sigaddset(&t->pending.signal, SIGKILL);
  19.         signal_wake_up(t, 1);
  20.     }

  22.     return count;
  23. }
    不多说了，就是给每一个线程都挂上一个SIGKILL的信号，当CPU选择线程执行时候的时候，自然会处理这个信号，而对SIGKILL的处理，会再次调用do_group_exit。这一次会调用do_exit退出。当线程组所有进程都执行过之后，整个线程组就消亡了。
    
    讲完这些，需要讲block了。我第一篇就讲到，我们有时候需要阻塞某些信号。POSIX说了多线程中每个线程要有自己的阻塞信号。不必说，task_struct中的blocked就是阻塞信号位图。我们的glibc的sigprocmask函数，就是设置进程的blocked。
    那些block的信号为何不能传递，内核是怎么做到的？
        

  1. int next_signal(struct sigpending *pending, sigset_t *mask)
  2. {
  3.     unsigned long i, *s, *m, x;
  4.     int sig = 0;

  6.     s = pending->signal.sig;
  7.     m = mask->sig;

  9.     /*
  10.      * Handle the first word specially: it contains the
  11.      * synchronous signals that need to be dequeued first.
  12.      */
  13.     x = *s &~ *m;
  14.     if (x) {
  15.         if (x & SYNCHRONOUS_MASK)
  16.             x &= SYNCHRONOUS_MASK;
  17.         sig = ffz(~x) + 1;
  18.         return sig;
  19.     }

  21.     switch (_NSIG_WORDS) {
  22.     default:
  23.         for (i = 1; i < _NSIG_WORDS; ++i) {
  24.             x = *++s &~ *++m;
  25.             if (!x)
  26.                 continue;
  27.             sig = ffz(~x) + i*_NSIG_BPW + 1;
  28.             break;
  29.         }
  30.         break;

  32.     case 2:
  33.         x = s[1] &~ m[1];
  34.         if (!x)
  35.             break;
  36.         sig = ffz(~x) + _NSIG_BPW + 1;
  37.         break;

  39.     case 1:
  40.         /* Nothing to do */
  41.         break;
  42.     }

  44.     return sig;
  45. }
    m就是task_struct中的blocked，阻塞的信号就不会不会被取出传递了。很有意思的一点是信号传递的顺序。在Linux programming interface一书中提到小signo优先的策略，比如SIGINT（2）和SIGQUIT（3）同时存在，SIGINT（2） 先deliver，然后才是SIGQUIT（3）.我们看代码，很有意思的是有同步信号：
  1. #define SYNCHRONOUS_MASK \
  2.     (sigmask(SIGSEGV) | sigmask(SIGBUS) | sigmask(SIGILL) | \
  3.      sigmask(SIGTRAP) | sigmask(SIGFPE) | sigmask(SIGSYS))
    有SIGSEGV SIGBUS SIGILL SIGTRAP SIGFPE SIGSYS，那么这几个信号优先。没有这几个信号，按照小信号优先。当然了，这些是Linux kernel的实现，毕竟不是POSIX标准，不可依赖这种顺序。
   另外，dequeue很有意思，先去task_struct中的pending中取，取不到再去整个线程组共享的shered_pending位图去取。    
  1. int dequeue_signal(struct task_struct *tsk, sigset_t *mask, siginfo_t *info)
  2. {
  3.     int signr;

  5.     /* We only dequeue private signals from ourselves, we don't let
  6.      * signalfd steal them
  7.      */
  8.     signr = __dequeue_signal(&tsk->pending, mask, info);
  9.     if (!signr) {
  10.         signr = __dequeue_signal(&tsk->signal->shared_pending,
  11.                      mask, info);
       。。。。
}

参考文献:
1 2 Linux kernel 3.8.0
上一篇：Linux signal 那些事儿（2）
下一篇：Linux signal 那些事儿（4）信号的deliver顺序

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