嵌入式Linux：线程中信号处理

目录

1、信号与多线程结合的复杂性

2、信号在多线程环境中的映射与处理

2.1、进程级信号

2.2、线程级信号

3、信号处理函数与多线程环境

4、信号掩码与线程独立性

5、异步信号安全函数

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信号最早是为了单进程的环境而设计的，用于在进程中捕捉各种事件，比如硬件异常、终止请求等。每个信号都有对应的处理动作（默认或自定义），例如：

• SIGTERM 用于请求进程终止；
• SIGINT 是通过键盘中断（Ctrl+C）触发的信号；
• SIGSEGV 则用于处理段错误（非法内存访问）。

这些信号的处理方式原本是进程级别的，也就是一个信号影响整个进程。而随着多线程模型的引入，进程内部可以有多个线程同时运行，信号处理的复杂性也大大增加。

1、信号与多线程结合的复杂性

多线程应用程序不仅需要继承原有的信号处理特性，还要保证线程之间的信号处理逻辑不会冲突。

在传统的单进程模型中，信号被设计为能够中断当前的执行流（如捕捉异常或处理终止请求），但在多线程环境下，多个线程并行运行，同一进程的信号可以由任意线程接收并处理。因此，这种多线程与信号处理的结合引发了以下问题：

• 信号由哪个线程处理：当一个信号发给进程时，内核必须决定哪个线程来处理信号，这可能会影响应用程序的行为。
• 信号处理与线程安全问题：信号处理函数可能在任意时刻被调用，打断当前线程的执行流，如果线程正在操作共享资源，可能引发竞争条件或不一致性。
• 信号屏蔽（masking）：信号掩码决定了线程是否能够接收到特定信号，而每个线程可以有独立的信号掩码设置，这样的设计带来了更多的灵活性，但也增加了复杂性。

2、信号在多线程环境中的映射与处理

信号的映射方式取决于其触发源以及信号的类型。我们可以将信号的映射机制分为进程层面和线程层面。

2.1、进程级信号

大多数信号是针对整个进程的。例如通过 kill() 发送的信号，或者来自操作系统的控制台中断信号。这类信号发送给进程，默认情况下，内核会从进程的所有线程中随机选择一个线程来处理信号。

kill(getpid(), SIGINT); // 给当前进程发送 SIGINT 信号

当进程中的某个线程处理这个信号时，其他线程的执行不会受到影响。内核负责决定哪个线程接收到信号，通常是未屏蔽该信号的线程。

2.2、线程级信号

某些信号只能由特定线程处理。例如，当线程遇到异常情况时（如段错误 SIGSEGV，浮点异常 SIGFPE），信号只会发送给引发该错误的线程。

以下例子中，访问空指针将触发段错误，SIGSEGV 信号只会发送给导致错误的线程。

void* faulty_thread(void* arg) {
    int* invalid_ptr = NULL;
    *invalid_ptr = 42;  // 这将触发 SIGSEGV
    return NULL;
}

在使用 kill() 或 sigqueue() 发送信号时，信号是针对整个进程的，内核会选择进程中的某个线程来处理信号。而在多线程程序中，可以使用 pthread_kill() 向同一进程中的指定线程发送信号，具体如下：

#include <signal.h>
int pthread_kill(pthread_t thread, int sig);

参数说明：

• thread：线程 ID，指定要接收信号的线程。
• sig：信号编号，指定要发送的信号。

如果 sig 为 0，pthread_kill() 不会发送信号，但会执行错误检查。成功时返回 0，失败时返回错误编号。

除了 pthread_kill()，还可以使用 pthread_sigqueue() 发送信号。该函数与 sigqueue() 类似，但它是将信号发送给指定的线程，而不是整个进程：

#include <signal.h>
#include <pthread.h>
int pthread_sigqueue(pthread_t thread, int sig, const union sigval value);

参数说明：

• thread：线程 ID，指定接收信号的线程。
• sig：要发送的信号。
• value：伴随数据，类型为 union sigval，与 sigqueue() 的 value 参数类似。

3、信号处理函数与多线程环境

无论是单线程还是多线程，信号处理函数在进程中是全局的。也就是说，注册的信号处理函数可能会被进程中的任何一个线程调用。

以下示例当用户按下 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号时，signal_handler 会被调用。

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void signal_handler(int sig) {
    printf("Caught signal %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler); // 注册信号处理函数
    while (1) {
        printf("Running...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在多线程环境下，多个线程可能会同时触发信号。假设我们在每个线程中都执行某种操作，信号处理函数可能会在任意线程中执行。信号处理函数必须是线程安全的，避免数据竞争或死锁等问题。

以下示例按下 Ctrl+C 时，任意线程都有可能捕获 SIGINT 信号。信号处理函数必须能在不同线程中正确处理信号事件。

#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void signal_handler(int sig) {
    printf("Thread %ld caught signal %d\n", pthread_self(), sig);
}

void* thread_function(void* arg) {
    while (1) {
        printf("Thread %ld is running...\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    signal(SIGINT, signal_handler);  // 所有线程共享的信号处理函数

    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    return 0;
}

4、信号掩码与线程独立性

在多线程环境中，每个线程可以有自己独立的信号掩码。通过信号掩码，线程可以选择是否接收某些信号。这为线程的信号处理提供了极大的灵活性。

pthread_sigmask() 函数用于设置线程的信号掩码，控制哪些信号应该被阻止或接收。

#include <signal.h>
int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

参数说明：

**how：**指定如何修改当前线程的信号屏蔽字。它的取值有以下几种：

• SIG_BLOCK：将 set 中的信号添加到当前线程的信号屏蔽字中，阻塞这些信号。
• SIG_UNBLOCK：将 set 中的信号从当前线程的信号屏蔽字中移除，解除阻塞这些信号。
• SIG_SETMASK：将当前线程的信号屏蔽字设置为 set 中的信号集合，替换原有的阻塞信号。

set： 指向 sigset_t 类型的信号集，指定要阻塞或解除阻塞的信号集合。

• 当 how 为 SIG_SETMASK 时，set 中的信号会替换当前屏蔽字；当 how 为 SIG_BLOCK 或 SIG_UNBLOCK 时，set 中的信号将被添加到或从屏蔽字中移除。

oldset： 如果不为 NULL，此参数将用来存储调用前的信号屏蔽字。这允许程序在修改信号屏蔽字后恢复原来的状态。

返回值：

• 成功时，返回 0。
• 失败时，返回错误码，通常为 errno 中定义的错误。

以下示例中，线程会屏蔽 SIGINT 信号，即使按下 Ctrl+C，该线程也不会处理 SIGINT 信号。

#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg) {
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);  // 屏蔽 SIGINT 信号

    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

    while (1) {
        printf("Thread %ld is running...\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

5、异步信号安全函数

异步信号安全函数是指那些可以在信号处理程序中调用的函数。这些函数必须是可重入的，能够在信号处理期间中断正常执行流程而不会引发不一致行为。

Linux 提供了一组异步信号安全的系统调用，例如：

上表列出的这些函数被认为是异步信号安全函数。你可以通过执行命令 man 7 signal 来查阅相关文档，获取更多信息：

man 7 signal

这些函数可以在信号处理函数中安全调用。反之，像 printf()、malloc() 等函数并不安全，因为它们可能涉及内部的缓冲机制或全局状态，容易在信号处理中引发竞争条件。

通过理解信号在多线程环境中的复杂性和设计局限性，开发者可以更好地编写安全可靠的多线程程序。

• 避免在多线程程序中使用全局信号处理函数：因为信号处理函数是全局共享的，它很容易引发线程之间的竞争。尽可能将信号处理逻辑与线程独立运行的机制分离。

• 合理使用信号掩码：通过为不同线程设置独立的信号掩码，开发者可以避免不必要的信号干扰。尤其是在执行关键任务时，可以临时屏蔽所有不相关的信号。

• 使用异步信号安全函数 ：在编写信号处理函数时，尽量只调用那些已知的异步信号安全函数，如 write()、_exit() 等，避免使用 malloc()、free() 或 printf() 这样的非异步信号安全函数。

• 信号与线程同步：避免在信号处理函数中直接操作复杂的数据结构或进行同步操作（如加锁），因为信号处理函数可能随时中断当前线程，导致死锁或数据不一致。