使用 sigprocmask 和 sigpending 在程序正文中捕獲和處理信號

最近在嘗試使用 epoll 寫一個相似 libevent 的庫。那麼，如何像 libevent 同樣，在 event loop 里加入對信號事件的觀測呢？
我查了一下資料，一個可行的方法，就是使用 sigprocmask() 及其相關功能來實現啦。

可是請注意，這個方法是存在缺陷的，請看官留心。
我的在繼續研究以後，暫時是不打算使用此種方法來實現信號事件，而改用另外一個方法。

Reference

《UNIX 環境高級編程》
sigprocmask , sigpending 和 sigsuspend函數
errno多線程安全
Linux 多線程應用中編寫安全的信號處理函數

UNIX 系統主要信號

如下就只列出主要的信號了：

名稱	說明	FreeBSD	Linux	macOS	Solaris	默認動做
SIGABRT	調用了abort()	Y	Y	Y	Y	終止 + core
SIGALRM	alarm()產生的	Y	Y	Y	Y	終止
SIGBUS	硬件故障	Y	Y	Y	Y	終止 + core
SIGCHLD	子進程狀態改變	Y	Y	Y	Y	忽略
SIGHUP	鏈接斷開	Y	Y	Y	Y	終止
SIGINT	Ctrl + C	Y	Y	Y	Y	終止
SIGKILL	終止；不可捕獲	Y	Y	Y	Y	終止
SIGPIPE	向關閉的管道寫	Y	Y	Y	Y	終止
SIGQUIT	Ctrl + \	Y	Y	Y	Y	終止 + core
SIGSEGV	段錯誤	Y	Y	Y	Y	終止 + core
SIGSTOP	中止	Y	Y	Y	Y	暫停進程
SIGTERM	kill(1)	Y	Y	Y	Y	終止
SIGUSR1	用戶自定義1	Y	Y	Y	Y	終止
SIGUSR2	用戶自定義2	Y	Y	Y	Y	終止
SIGPOLL	可輪訓的設備發生事件	.	Y	.	Y	終止
SIGPWR	主電源失效，電池電量不足	.	Y	.	Y	終止或忽略

若是要在 C 裏面發送一個信號的話，那麼能夠用 kill() 和 raise()。其中後者是想當前進程發信號，而前者能夠向任意進程發信號。kill() 的 pid 參數能夠有如下可能值：

• pid > 0：發給指定進程
• pid == 0：發給與當前進程屬於同一進程組的全部進程，但須要權限容許
• pid < 0：發給進程組 ID 等於 (0 - pid) 的全部進程，但須要權限容許
• pid == -1：發給全部進程，但須要權限容許

信號集操做

#include <signal.h>

    int sigemptyset(sigset_t *set);
    int sigfillset(sigset_t *set);
    int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
    int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
    int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

上面的幾個函數語義都很清楚了，就是在一個集合裏面配置多個信號。
除了 sigismenber() 實際上返回的是 BOOL 類型以外，其餘的函數均返回 0 表明成功，-1 表明失敗。

sigprocmask 和 sigpending

#include <signal.h>

    int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
    int sigpending(sigset_t *set);

sigprocmask() 返回的是 0 或者 -1 的狀態值，而 sigpending() 返回 BOOL 值
其中 how 能夠有如下值：

• SIG_BLOCK：屏蔽信號（注意，不是「忽略」信號）
• SIG_UNBLOCK：解屏蔽
• SIG_SETMASK：將整個表配置設置進去。這適用於 sigprocmask() 恢復階段。後續有說明

「屏蔽」 信號的含義

sigprocmask()的做用，主要就是屏蔽指定的信號。這個 「屏蔽」 的含義須要說明清楚。
首先咱們大體數一下信號在內核裏的處理流程吧（不是準確的流程，只是便於說明）：

1. 內核等待信號中斷
2. 信號產生，觸發內核中斷
3. 內核將信號存下來，或者說設置信號標誌
4. 內核根據用戶空間的配置，處理信號。若是用戶空間沒有特別配置，則按照默認行爲處理
5. 處理完成後，清除信號標誌
6. 回到 1，繼續等待

sigprocmask()所作的 「屏蔽」，其實就是將上述的信號處理流程，卡在了 3 和 4 之間，讓內核可以將信號標誌設置好，可是卻到不了判斷並處理的那一步。
換句話說，即使進程調用 signal() 函數，設置了 SIG_IGN 標誌，但若是指定的信號被 sigprocmask() 屏蔽了的話，內核也不會去判斷是否該忽略這個信號，而只是把信號標誌卡在那兒，直到調用sigprocmask()執行SIG_UNBLOCK爲止，才能讓內核繼續走到第 4 步。

在程序正文處理信號

這裏所說的 「正文」，指的是：
　　不在 signal() 或 sigaction() 中指定的 handler 中處理信號事件，而是在普通的程序流程可以中捕捉信號，而且處理信號。

這麼作有不少好處：

• 中斷處理函數有不少限制，只能調用某些系統調用，不然可能致使上下文異常。但在正文中就不會有這個問題
• 中斷處理函數和正文之間能夠視爲兩個不一樣的線程，二者之間的同步比較麻煩
• 在正文中處理，能夠實現相似於 libevent 中 EV_SIGNAL 功能——而這也是筆者正在研究的。

基本軟件流程以下：

1. 使用 signal() 或 sigaction() 將須要捕獲的信號設置爲 SIG_IGN
2. 使用 sigprocmask() 屏蔽須要捕獲的信號，同時注意將屏蔽以前的信號集保存下來（oset參數）
3. 進行相應操做（好比 epoll()）
4. 若是發現 errno 爲 EINTR，那麼就能夠用 sigpending() 獲取被屏蔽的信號集，判斷須要捕獲的信號是否在信號集中
5. 使用 sigprocmask() 執行一次 SIG_UNBLOCK 操做，讓內核清除信號集標誌
6. 回到 2，從新屏蔽信號

缺陷

不過這個流程有一個 bug，就是信號有可能在 4 和 6 之間產生，這樣的話，就捕獲不到了——這還須要想一想怎麼處理。

sigaction 函數

這裏順便記一下 sigaction() 吧，POSIX 是建議不要再使用 signal() 了。
簡單狀況下，只須要使用 struct sigcation 裏的 sa_handler 和 sa_mask 就能夠替代 signal() 調用了。

#include <signal.h>

    struct sigaction {
        void     (*sa_handler)(int);
        void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
        sigset_t   sa_mask;
        int        sa_flags;
        void     (*sa_restorer)(void);
    };

    int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
                  struct sigaction *oldact);

errno 的線程安全問題

前文說起 「若是發現 errno 爲 EINTR ...」。有同窗可能會問了：「errno 是一個全局變量啊，這安全不？」
實際上，errno 是線程安全的……呃，這個優勢，其實筆者本身也是才知道……看了一下 errno 的原理，以爲實在是很厲害啊！

可是，使用 errno 只有一點要注意，就是雖然在程序正文中，errno 是線程安全的，可是在中斷處理函數中卻並非這樣。其餘位置的話，隨意。

這裏參考的資料是這個還有這個。