1. 介绍
高级进程间通信（IPC）机制，特别是专注于高级信号技术，是现代操作系统的关键部分。本指南探讨了内核级别的信号处理、实时信号和队列管理的复杂实现。信号是一种基本的IPC机制，用于通知进程事件，如异常或用户定义的事件。高级信号通过引入实时信号、基于优先级的处理和增强的安全功能，扩展了这一概念。
2. 高级信号架构
高级信号系统的架构围绕几个核心组件构建。首先是信号队列管理，它涉及一个复杂的队列系统，用于高效地处理多个信号。该系统支持标准和实时信号，具有优先级处理和溢出保护。实时信号具有更高的优先级，并保证按特定顺序交付。
另一个关键组件是实时信号处理。该机制确保实时信号能够及时且延迟最小地传递。系统还支持扩展信息传递，允许信号携带额外的数据。这对于需要不仅仅是简单通知的应用程序特别有用。
最后，该系统包括跨进程同步机制。这些机制允许多个进程使用信号协调其操作。实现支持进程组和会话管理，使信号可以同时发送到多个进程。
3. 高级信号系统的简化实现
实现从定义rt_signal_queue结构开始，该结构用于管理实时信号队列。该结构包括一个用于同步的自旋锁、一个排队信号列表以及一个用于阻塞进程的等待队列。
c
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/signal.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/pid.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/slab.h>
#define MAX_RT_SIGQUEUE_SIZE 32
#define SIGNAL_PAYLOAD_SIZE 128
struct rt_signal_queue {
spinlock_t lock;
struct list_head queue;
unsigned int count;
unsigned int max_count;
wait_queue_head_t wait;
};
struct signal_payload {
int signo;
pid_t sender_pid;
uid_t sender_uid;
void *data;
size_t data_size;
unsigned long timestamp;
};
struct advanced_signal {
struct list_head list;
struct signal_payload payload;
int priority;
bool is_realtime;
};
struct process_signal_context {
struct rt_signal_queue rt_queue;
struct task_struct *task;
atomic_t pending_signals;
spinlock_t context_lock;
struct list_head handlers;
};init_signal_context 函数初始化进程的信号上下文。它设置实时信号队列，初始化自旋锁，并准备信号处理程序列表。
c
static int init_signal_context(struct process_signal_context *ctx)
{
spin_lock_init(&ctx->rt_queue.lock);
INIT_LIST_HEAD(&ctx->rt_queue.queue);
init_waitqueue_head(&ctx->rt_queue.wait);
ctx->rt_queue.count = 0;
ctx->rt_queue.max_count = MAX_RT_SIGQUEUE_SIZE;
spin_lock_init(&ctx->context_lock);
INIT_LIST_HEAD(&ctx->handlers);
atomic_set(&ctx->pending_signals, 0);
return 0;
}queue_rt_signal 函数将实时信号排队。它为信号分配内存，复制有效载荷，并将信号添加到队列中。如果队列已满，函数将返回错误。
c
static int queue_rt_signal(struct process_signal_context *ctx,
struct signal_payload *payload,
int priority)
{
struct advanced_signal *sig;
unsigned long flags;
sig = kmalloc(sizeof(*sig), GFP_ATOMIC);
if (!sig)
return -ENOMEM;
memcpy(&sig->payload, payload, sizeof(*payload));
sig->priority = priority;
sig->is_realtime = true;
spin_lock_irqsave(&ctx->rt_queue.lock, flags);
if (ctx->rt_queue.count >= ctx->rt_queue.max_count) {
spin_unlock_irqrestore(&ctx->rt_queue.lock, flags);
kfree(sig);
return -EAGAIN;
}
list_add_tail(&sig->list, &ctx->rt_queue.queue);
ctx->rt_queue.count++;
atomic_inc(&ctx->pending_signals);
spin_unlock_irqrestore(&ctx->rt_queue.lock, flags);
wake_up(&ctx->rt_queue.wait);
return 0;
}4. 信号处理程序实现
signal_handler 结构定义了一个信号处理程序，包括一个指向处理程序的函数指针、信号编号和标志。register_signal_handler 函数为特定信号注册一个信号处理程序。
c
struct signal_handler {
struct list_head list;
void (*handler)(struct signal_payload *);
int signo;
unsigned long flags;
};
static int register_signal_handler(struct process_signal_context *ctx,
int signo,
void (*handler)(struct signal_payload *),
unsigned long flags)
{
struct signal_handler *sh;
unsigned long irqflags;
sh = kmalloc(sizeof(*sh), GFP_KERNEL);
if (!sh)
return -ENOMEM;
sh->handler = handler;
sh->signo = signo;
sh->flags = flags;
spin_lock_irqsave(&ctx->context_lock, irqflags);
list_add(&sh->list, &ctx->handlers);
spin_unlock_irqrestore(&ctx->context_lock, irqflags);
return 0;
}process_signal_queue 函数处理信号队列。它遍历队列中的信号，并为每个信号调用相应的处理程序。
c
static void process_signal_queue(struct process_signal_context *ctx)
{
struct advanced_signal *sig, *tmp;
struct signal_handler *handler;
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&ctx->rt_queue.lock, flags);
list_for_each_entry_safe(sig, tmp, &ctx->rt_queue.queue, list) {
list_for_each_entry(handler, &ctx->handlers, list) {
if (handler->signo == sig->payload.signo) {
handler->handler(&sig->payload);
list_del(&sig->list);
ctx->rt_queue.count--;
atomic_dec(&ctx->pending_signals);
kfree(sig);
break;
}
}
}
spin_unlock_irqrestore(&ctx->rt_queue.lock, flags);
}5. 信号流架构
信号流架构通过序列图进行说明。该图展示了发送者、信号系统、队列、处理程序和接收者之间的交互。
6. 实时优先级管理
实时优先级管理系统确保高优先级信号在低优先级信号之前被处理。以下图表说明了基于优先级的信号处理流程。
7. 信号传递实现
signal_delivery_context 结构跟踪信号的传递。deliver_signal 函数将信号传递给目标进程。
c
struct signal_delivery_context {
atomic_t delivery_count;
struct timespec64 last_delivery;
unsigned long flags;
};
static int deliver_signal(struct process_signal_context *ctx,
struct signal_payload *payload)
{
struct signal_delivery_context *delivery_ctx;
int ret;
delivery_ctx = kmalloc(sizeof(*delivery_ctx), GFP_KERNEL);
if (!delivery_ctx)
return -ENOMEM;
atomic_set(&delivery_ctx->delivery_count, 0);
ktime_get_real_ts64(&delivery_ctx->last_delivery);
ret = queue_rt_signal(ctx, payload, SIGRT_PRIORITY_DEFAULT);
if (ret < 0) {
kfree(delivery_ctx);
return ret;
}
atomic_inc(&delivery_ctx->delivery_count);
return 0;
}8. 性能监控
signal_metrics 结构跟踪性能指标，例如发送和接收的信号数量、队列溢出和处理时间。
c
struct signal_metrics {
atomic64_t signals_sent;
atomic64_t signals_received;
atomic64_t queue_overflows;
atomic64_t processing_time_ns;
struct {
atomic_t count;
atomic64_t total_latency;
} priority_levels[MAX_RT_PRIORITY];
};
static struct signal_metrics metrics;
static void update_signal_metrics(struct signal_payload *payload,
unsigned long processing_time)
{
atomic64_inc(&metrics.signals_received);
atomic64_add(processing_time, &metrics.processing_time_ns);
}9. 安全实施
verify_signal_permissions 函数确保进程具有向另一个进程发送信号的必要权限。
c
static int verify_signal_permissions(struct task_struct *sender,
struct task_struct *receiver,
int signo)
{
const struct cred *cred = current_cred();
if (!capable(CAP_KILL) &&
!same_thread_group(sender, receiver) &&
!has_permission(sender, receiver, signo)) {
return -EPERM;
}
return 0;
}10. 结论
高级进程间通信（IPC）机制，特别是信号处理，需要仔细实现，以确保进程之间可靠、安全且高效的通信。提供的实现展示了构建适用于实时应用的健壮信号系统的实用方法。