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文章目录
- [1. Linux应用程序安全性讨论](#1. Linux应用程序安全性讨论)
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- [1.1 问题](#1.1 问题)
- [1.2 不同场景](#1.2 不同场景)
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- [1.2.1 场景一：不需要处理信号](#1.2.1 场景一：不需要处理信号)
- [1.2.2 场景二：需要处理信号](#1.2.2 场景二：需要处理信号)
- [2. 场景一：不需要信号处理（单一功能应用程序）](#2. 场景一：不需要信号处理（单一功能应用程序）)
- [3. 场景二：需要处理信号（长时间运行的应用）](#3. 场景二：需要处理信号（长时间运行的应用）)
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- [3.1 同步解决方案（单任务）](#3.1 同步解决方案（单任务）)
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- [3.1.1 方案设计一](#3.1.1 方案设计一)
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- [3.1.1.1 同步方案示例一](#3.1.1.1 同步方案示例一)
- [3.1.1.2 编程实验](#3.1.1.2 编程实验)
- [3.1.1.3 存在的问题](#3.1.1.3 存在的问题)
- [3.1.2 方案设计二](#3.1.2 方案设计二)
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- [3.1.2.1 关键系统函数](#3.1.2.1 关键系统函数)
- [3.1.2.2 编程实验](#3.1.2.2 编程实验)
- [3.1.2.3 存在的问题](#3.1.2.3 存在的问题)
- [3.1.2.4 思考](#3.1.2.4 思考)
- [3.2 异步解决方案（多任务）](#3.2 异步解决方案（多任务）)
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- [3.2.1 问题](#3.2.1 问题)
- [3.2.2 多线程信号处理](#3.2.2 多线程信号处理)
- [3.2.3 方案](#3.2.3 方案)
- [3.2.4 进程与线程](#3.2.4 进程与线程)
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- [3.2.4.1 Linux多线程API函数](#3.2.4.1 Linux多线程API函数)
- [3.2.4.2 多线程编程示例](#3.2.4.2 多线程编程示例)
- [3.2.5 异步方案示例](#3.2.5 异步方案示例)
- [3.2.6 编程实验：多线程信号处理](#3.2.6 编程实验：多线程信号处理)
- [4. 信号设计模式小结](#4. 信号设计模式小结)
1. Linux应用程序安全性讨论
1.1 问题
- 如何编写信号安全的应用程序？
1.2 不同场景
1.2.1 场景一：不需要处理信号
应用程序实现单一功能，不需要关注信号
如：数据处理程序，文件加密程序，科学计算程序
1.2.2 场景二：需要处理信号
应用程序长时间运行，需要关注信号，并及时处理
如：服务端程序，上位机程序
2. 场景一：不需要信号处理（单一功能应用程序）
在代码层面，直接阻塞所有可能的信号（本质上就是信号始终处于未决状态，无法递达进程）
- 编程实验：不需要处理信号
【参看链接】：15 - 信号处理设计模式 / 00不需要处理信号场景/main.c
3. 场景二：需要处理信号（长时间运行的应用）
- 同步方案
- 通过 标记 同步处理信号，整个应用中 只有一个执行流
- 异步方案
- 专用任务处理，应用中存在 多个执行流（多线程应用）
- 设置 专用于信号处理的任务，其它任务忽略信号，专注功能实现
3.1 同步解决方案（单任务）
- 信号处理逻辑与程序逻辑位于同一个上下文
即：信号处理函数与主函数不存在资源竞争关系
3.1.1 方案设计一
- 将任务分解为 子任务（每个任务可对应一个函数）
- 信号递达时，信号处理函数中 仅 标记 递达状态
- 子任务处理结束后，真正执行信号处理
3.1.1.1 同步方案示例一
3.1.1.2 编程实验
【参看链接】：15 - 信号处理设计模式 / 01处理信号场景_同步方案
- 对于不可靠信号
- 对于可靠信号存在问题
3.1.1.3 存在的问题
- 由于给每个信号唯一的标记位置，因此，所有信号转变为不可靠信号，并且仅保留最近递达的信号信息。
- 可能改进方案：
- 标记位置设计为链表，信号递达后在对应位置的链表处增加结点保留信号信息
（增加结点涉及到malloc，不安全）
- 标记位置设计为链表，信号递达后在对应位置的链表处增加结点保留信号信息
3.1.2 方案设计二
- 将任务分解为子任务（每个任务可对应一个函数）
- 创建 信号文件描述符，并阻塞所有信号（可靠信号递达前位于内核队列）
- 意义：化被动为主动，原先任务的执行流在收到信号后被动中断。现在主动去检查是否有信号，如果有信号，将信号取出来处理，此时就需要文件描述符。
- 子任务处理结束后，通过 select机制 判断是否有信号需要处理
- true：处理信号，false：等待超时
3.1.2.1 关键系统函数
- 使用signalfd()处理信号
先屏蔽所有信号（无法递达进程），之后为屏蔽信号创建文件描述符，当时机成熟，通过read()系统调用读取未决信号（主动接收信号）。
- 使用select()监听文件描述符
- 使用select()处理信号
3.1.2.2 编程实验
【参看链接】：15 - 信号处理设计模式 / 02处理信号场景_同步方案_select
- 可靠信号
- 不可靠信号
3.1.2.3 存在的问题
- 虽然解决了信号丢失的问题，但是实时性不好。由于使用了select()机制，即便没有信号需要处理，也需要等待select超时，任务 实时性 受到影响。
3.1.2.4 思考
- 是否可以兼顾 信号处理 与 任务执行 的实时性？
3.2 异步解决方案（多任务）
- 使用独立任务处理信号，程序逻辑在其它任务中执行
即：通过 多线程 分离信号处理与程序逻辑- 主线程：专用于处理信号
- 其它线程：完成程序功能
3.2.1 问题
- 信号递达进程后，在 哪一个执行流 中进行处理？
3.2.2 多线程信号处理
- 信号的发送目标是 进程，而不是某个特定的线程
- 发送给进程的信号仅递送给一个线程 ==> 哪一个线程处理？
- 内核在不会阻塞目标信号的线程中进行随机选择
- 每个线程拥有独立的信号屏蔽掩码
3.2.3 方案
- 主线程：对目标信号设置信号处理的方式
- 当信号递达进程时，只可能是 主线程 进行信号处理
- 其它线程：首先屏蔽所有可能的信号（简单粗暴），之后执行任务代码
- 无法接收到信号，不具备信号处理能力
3.2.4 进程与线程
- 进程：应用程序的一次加载执行（系统进行资源分配的基本单位）
- 线程：进程中的程序执行流
- 一个进程可以存在多个线程（至少存在一个线程）
- 每个线程执行不同的任务（多个线程可并行执行）
- 同一个进程中的多个线程共享进程的系统资源
3.2.4.1 Linux多线程API函数
- 线程标识：
pthread_t pthread_self(void);- 获取当前线程的ID标识（tid）
- 线程等待：
int pthread_join(pthread_t thread, void** retval);- 等待目标线程执行结束
3.2.4.2 多线程编程示例
3.2.5 异步方案示例
- 主线程
- 任务线程
3.2.6 编程实验：多线程信号处理
【参看链接】：15 - 信号处理设计模式 / 03处理信号场景_异步方案_多线程
- 不可靠信号
- 可靠信号
4. 信号设计模式小结
- 多数程序不需要处理信号，因此可直接屏蔽信号
- 需要处理信号的程序，重点考虑信号安全性问题
- 同步 处理方案，通过设计让 任务代码 和 信号处理代码 交替执行
问题：信号处理是否及时？任务执行是否实时？ - 异步 处理方案，任务代码 与 信号处理代码 位于 不同执行流
问题：将信号安全性问题转换为线程安全性问题，因此，程序本身是否做到线程安全？
- 同步 处理方案，通过设计让 任务代码 和 信号处理代码 交替执行