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# 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。

1.  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。
2.  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。
3.  在内核中执行系统调用读取数据。
4.  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。
5.  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。
6.  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。
7.  四个发送信号的函数，在内核中最终都是调用do\_send\_sig\_info。
8.  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。
9.  do\_send\_sig\_info调用signal\_wake\_up唤醒进程A。
10.  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。
11.  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。
12.  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。
13.  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。
14.  调用do\_signal开始处理信号。
15.  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。
16.  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。
17.  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。
18.  sa\_restorer会调用系统调用rt\_sigreturn再次进入内核。
19.  在内核中，rt\_sigreturn恢复原来的pt\_regs，重新指向line A。
20.  从rt\_sigreturn返回用户态，还是调用exit\_to\_usermode\_loop。
21.  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。

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## 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。

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。

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