Linux信号处理的相关数据结构和操作函数

文章目录

一、是否有未阻塞的待处理信号`has_pending_signals`
- 1.函数定义
- 2.核心算法原理
- 3.信号集数据结构
- 4.逐case详细分析
- - [4.1.Case 1: 单字信号集 (_NSIG_WORDS = 1)](#4.1.Case 1: 单字信号集 (_NSIG_WORDS = 1))
  - [4.2.Case 2: 双字信号集 (_NSIG_WORDS = 2)](#4.2.Case 2: 双字信号集 (_NSIG_WORDS = 2))
  - [4.3.Case 4: 四字信号集(_NSIG_WORDS = 4)](#4.3.Case 4: 四字信号集(_NSIG_WORDS = 4))
  - [4.4.Default Case: 通用处理](#4.4.Default Case: 通用处理)
二、信号状态重计算`recalc_sigpending`
- 1.宏定义解析
- 2.核心判断逻辑
- - [2.1.条件1: 进程组停止计数](#2.1.条件1: 进程组停止计数)
  - [2.2.条件2: 私有待处理信号](#2.2.条件2: 私有待处理信号)
  - [2.3.条件3: 共享待处理信号](#2.3.条件3: 共享待处理信号)
- 3.标志设置函数
三、实现进程的挂起refrigerator
四、从信号队列中移除指定信号`rm_from_queue`
- 1.辅助函数解析
- 2.主函数详细分析
- - [2.1.步骤1: 快速检查](#2.1.步骤1: 快速检查)
  - [2.2.步骤2: 清除信号掩码](#2.2.步骤2: 清除信号掩码)
  - [2.3.步骤3: 遍历信号队列](#2.3.步骤3: 遍历信号队列)

一、是否有未阻塞的待处理信号`has_pending_signals`

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typedef struct {
        unsigned long sig[_NSIG_WORDS];
} sigset_t;
#define _NSIG		64
#define _NSIG_BPW	32
#define _NSIG_WORDS	(_NSIG / _NSIG_BPW)
static inline int has_pending_signals(sigset_t *signal, sigset_t *blocked)
{
        unsigned long ready;
        long i;

        switch (_NSIG_WORDS) {
        default:
                for (i = _NSIG_WORDS, ready = 0; --i >= 0 ;)
                        ready |= signal->sig[i] &~ blocked->sig[i];
                break;

        case 4: ready  = signal->sig[3] &~ blocked->sig[3];
                ready |= signal->sig[2] &~ blocked->sig[2];
                ready |= signal->sig[1] &~ blocked->sig[1];
                ready |= signal->sig[0] &~ blocked->sig[0];
                break;

        case 2: ready  = signal->sig[1] &~ blocked->sig[1];
                ready |= signal->sig[0] &~ blocked->sig[0];
                break;

        case 1: ready  = signal->sig[0] &~ blocked->sig[0];
        }
        return ready != 0;
}

1.函数定义

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static inline int has_pending_signals(sigset_t *signal, sigset_t *blocked)

signal: 待处理信号集（pending signals）
blocked: 被阻塞的信号集（blocked signals）
返回值: 1表示有未阻塞的待处理信号，0表示没有

2.核心算法原理

基本逻辑：

对于每个信号位：
如果信号待处理且没有被阻塞 → 说明有需要处理的信号
ready = (signal & ~blocked)

位运算解释：

signal: 0110 (信号2和3待处理)
blocked: 0010 (信号2被阻塞)
~blocked: 1101 (阻塞信号的取反)
ready: 0100 (只有信号3需要处理)

3.信号集数据结构

sigset_t结构：

c 复制代码

#define _NSIG		64
#define _NSIG_BPW	32
#define _NSIG_WORDS	(_NSIG / _NSIG_BPW)

typedef struct {
        unsigned long sig[_NSIG_WORDS];
} sigset_t;

4.逐case详细分析

4.1.Case 1: 单字信号集 (_NSIG_WORDS = 1)

c 复制代码

case 1: ready = signal->sig[0] &~ blocked->sig[0];

获取未阻塞的待处理信号63-0

4.2.Case 2: 双字信号集 (_NSIG_WORDS = 2)

c 复制代码

case 2: ready  = signal->sig[1] &~ blocked->sig[1];
        ready |= signal->sig[0] &~ blocked->sig[0];

两个字的按位或结果

4.3.Case 4: 四字信号集(_NSIG_WORDS = 4)

c 复制代码

case 4: ready  = signal->sig[3] &~ blocked->sig[3];
        ready |= signal->sig[2] &~ blocked->sig[2];
        ready |= signal->sig[1] &~ blocked->sig[1];
        ready |= signal->sig[0] &~ blocked->sig[0];

适用场景：支持更多信号的系统

4.4.Default Case: 通用处理

c 复制代码

default:
    for (i = _NSIG_WORDS, ready = 0; --i >= 0 ;)
        ready |= signal->sig[i] &~ blocked->sig[i];

适用场景：支持任意数量信号字的系统

二、信号状态重计算`recalc_sigpending`

c 复制代码

#define PENDING(p,b) has_pending_signals(&(p)->signal, (b))
fastcall void recalc_sigpending_tsk(struct task_struct *t)
{
        if (t->signal->group_stop_count > 0 ||
            PENDING(&t->pending, &t->blocked) ||
            PENDING(&t->signal->shared_pending, &t->blocked))
                set_tsk_thread_flag(t, TIF_SIGPENDING);
        else
                clear_tsk_thread_flag(t, TIF_SIGPENDING);
}
void recalc_sigpending(void)
{
        recalc_sigpending_tsk(current);
}

1.宏定义解析

c 复制代码

#define PENDING(p,b) has_pending_signals(&(p)->signal, (b))

简化调用 ：封装 has_pending_signals 函数
参数：
- p: 待处理信号集结构指针
- b: 阻塞信号集指针
作用：检查指定信号集中是否有未阻塞的待处理信号

2.核心判断逻辑

函数检查三种情况，只要满足任一条件就设置 TIF_SIGPENDING 标志：

2.1.条件1: 进程组停止计数

c 复制代码

t->signal->group_stop_count > 0

含义：进程组有停止的进程

当进程组收到 SIGSTOP、SIGTSTP 等停止信号时递增
表示有进程需要被停止或恢复

2.2.条件2: 私有待处理信号

c 复制代码

PENDING(&t->pending, &t->blocked)

含义：进程有未阻塞的私有待处理信号

t->pending: 进程特有的待处理信号
t->blocked: 进程阻塞的信号掩码

2.3.条件3: 共享待处理信号

c 复制代码

PENDING(&t->signal->shared_pending, &t->blocked)

含义：进程组有未阻塞的共享待处理信号

t->signal->shared_pending: 进程组共享的待处理信号
线程组中所有线程共享的信号

3.标志设置函数

设置信号挂起标志：

c 复制代码

set_tsk_thread_flag(t, TIF_SIGPENDING)

TIF_SIGPENDING: 线程信息标志，表示有信号需要处理
设置后，在从内核返回用户空间时会检查并处理信号

清除信号挂起标志：

c 复制代码

clear_tsk_thread_flag(t, TIF_SIGPENDING)

当没有需要处理的信号时清除标志

三、实现进程的挂起refrigerator

c 复制代码

void refrigerator(unsigned long flag)
{
        /* Hmm, should we be allowed to suspend when there are realtime
           processes around? */
        long save;
        save = current->state;
        current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
        pr_debug("%s entered refrigerator\n", current->comm);
        printk("=");
        current->flags &= ~PF_FREEZE;

        spin_lock_irq(&current->sighand->siglock);
        recalc_sigpending(); /* We sent fake signal, clean it up */
        spin_unlock_irq(&current->sighand->siglock);

        current->flags |= PF_FROZEN;
        while (current->flags & PF_FROZEN)
                schedule();
        pr_debug("%s left refrigerator\n", current->comm);
        current->state = save;
}

1.保存当前状态

c 复制代码

long save;
save = current->state;

保存进程原状态，用于恢复时还原进程状态

2.设置为不可中断状态

c 复制代码

current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;

TASK_UNINTERRUPTIBLE：表示进程处于不可中断状态
调度时不会被信号唤醒

3.调试信息输出

c 复制代码

pr_debug("%s entered refrigerator\n", current->comm);
printk("=");

调试日志：记录进程开始挂起

4.清除冻结标志

c 复制代码

current->flags &= ~PF_FREEZE;

PF_FREEZE：表示进程应该被冻结
清除此标志，冻结过程已经开始

5.信号清理

c 复制代码

spin_lock_irq(&current->sighand->siglock);
recalc_sigpending(); /* We sent fake signal, clean it up */
spin_unlock_irq(&current->sighand->siglock);

获取信号锁
重新计算信号状态：清理可能用于唤醒进程的伪信号
释放信号锁

6.设置冻结完成标志

c 复制代码

current->flags |= PF_FROZEN;

PF_FROZEN：表示进程已完全冻结
通知冻结机制此进程已准备就绪

7.等待唤醒循环

c 复制代码

while (current->flags & PF_FROZEN)
    schedule();

循环检查 ：持续检查 PF_FROZEN 标志
主动调度 ：调用 schedule() 让出CPU
退出条件 ：当其他代码清除 PF_FROZEN 标志时退出循环

8.恢复状态

c 复制代码

pr_debug("%s left refrigerator\n", current->comm);
current->state = save;

调试日志：记录进程解冻
恢复原状态：将进程状态恢复为进入前的值

四、从信号队列中移除指定信号`rm_from_queue`

c 复制代码

static inline int sigtestsetmask(sigset_t *set, unsigned long mask)
{
	return (set->sig[0] & mask) != 0;
}
static inline void sigdelsetmask(sigset_t *set, unsigned long mask)
{
	set->sig[0] &= ~mask;
}
#define sigmask(sig)	(1UL << ((sig) - 1))
static inline void __sigqueue_free(struct sigqueue *q)
{
        if (q->flags & SIGQUEUE_PREALLOC)
                return;
        atomic_dec(&q->user->sigpending);
        free_uid(q->user);
        kmem_cache_free(sigqueue_cachep, q);
}
static int rm_from_queue(unsigned long mask, struct sigpending *s)
{
        struct sigqueue *q, *n;

        if (!sigtestsetmask(&s->signal, mask))
                return 0;

        sigdelsetmask(&s->signal, mask);
        list_for_each_entry_safe(q, n, &s->list, list) {
                if (q->info.si_signo < SIGRTMIN &&
                    (mask & sigmask(q->info.si_signo))) {
                        list_del_init(&q->list);
                        __sigqueue_free(q);
                }
        }
        return 1;
}

1.辅助函数解析

1.1.信号掩码测试

c 复制代码

static inline int sigtestsetmask(sigset_t *set, unsigned long mask)
{
    return (set->sig[0] & mask) != 0;
}

功能：检查信号集中是否有指定的信号
返回：有信号返回1，没有返回0

1.2.信号掩码删除

c 复制代码

static inline void sigdelsetmask(sigset_t *set, unsigned long mask)
{
    set->sig[0] &= ~mask;
}

功能：从信号集中清除指定的信号位
操作：按位与掩码的反码

1.3.信号掩码生成

c 复制代码

#define sigmask(sig) (1UL << ((sig) - 1))

功能：将信号编号转换为位掩码
计算：信号1 → 位0，信号2 → 位1，依此类推

1.4.信号队列释放

c 复制代码

static inline void __sigqueue_free(struct sigqueue *q)
{
    if (q->flags & SIGQUEUE_PREALLOC)
        return;
    atomic_dec(&q->user->sigpending);
    free_uid(q->user);
    kmem_cache_free(sigqueue_cachep, q);
}

预分配检查：预分配的信号结构不释放
引用计数：减少用户的待处理信号计数
用户释放：释放用户引用
内存释放：返回信号队列缓存

2.主函数详细分析

2.1.步骤1: 快速检查

c 复制代码

if (!sigtestsetmask(&s->signal, mask))
    return 0;

早期返回：如果没有目标信号，立即返回0
性能优化：避免不必要的队列遍历

2.2.步骤2: 清除信号掩码

c 复制代码

sigdelsetmask(&s->signal, mask);

更新信号集：从位图中移除指定的信号

2.3.步骤3: 遍历信号队列

c 复制代码

list_for_each_entry_safe(q, n, &s->list, list) {
    if (q->info.si_signo < SIGRTMIN &&
        (mask & sigmask(q->info.si_signo))) {
        list_del_init(&q->list);
        __sigqueue_free(q);
    }
}

2.3.1.循环宏

c 复制代码

list_for_each_entry_safe(q, n, &s->list, list)

安全遍历：允许在遍历时删除节点
q：当前信号队列条目
n：下一个条目（用于安全删除）

2.3.2.条件判断

c 复制代码

if (q->info.si_signo < SIGRTMIN &&
    (mask & sigmask(q->info.si_signo)))

两个条件：

只处理标准信号 ：q->info.si_signo < SIGRTMIN
信号在删除掩码中 ：mask & sigmask(q->info.si_signo)

2.3.3.删除操作

c 复制代码

list_del_init(&q->list);   // 从链表中移除
__sigqueue_free(q);        // 释放信号结构

Linux信号处理的相关数据结构和操作函数

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一、是否有未阻塞的待处理信号has_pending_signals

1.函数定义

2.核心算法原理

3.信号集数据结构

4.逐case详细分析

4.1.Case 1: 单字信号集 (_NSIG_WORDS = 1)

4.2.Case 2: 双字信号集 (_NSIG_WORDS = 2)

4.3.Case 4: 四字信号集(_NSIG_WORDS = 4)

4.4.Default Case: 通用处理

二、信号状态重计算recalc_sigpending

1.宏定义解析

2.核心判断逻辑

2.1.条件1: 进程组停止计数

2.2.条件2: 私有待处理信号

2.3.条件3: 共享待处理信号

3.标志设置函数

三、实现进程的挂起refrigerator

1.保存当前状态

2.设置为不可中断状态

3.调试信息输出

4.清除冻结标志

5.信号清理

6.设置冻结完成标志

7.等待唤醒循环

8.恢复状态

四、从信号队列中移除指定信号rm_from_queue

1.辅助函数解析

1.1.信号掩码测试

1.2.信号掩码删除

1.3.信号掩码生成

1.4.信号队列释放

2.主函数详细分析

2.1.步骤1: 快速检查

2.2.步骤2: 清除信号掩码

2.3.步骤3: 遍历信号队列

2.3.1.循环宏

2.3.2.条件判断

2.3.3.删除操作

一、是否有未阻塞的待处理信号`has_pending_signals`

二、信号状态重计算`recalc_sigpending`

四、从信号队列中移除指定信号`rm_from_queue`