【知识讲解】 Linux信号与可重入函数的认识

前言

Linux下对于信号和可重入函数的了解是非常重要的，接下来来跟随小编的视角来看看吧。

let's go!!!!!!!!

Part1. 进程虚拟地址空间

Linux 每个进程都拥有独立的虚拟地址空间，32位系统经典划分：0~3G 用户空间，3G~4G 内核空间（64位只是划分范围变大，思想一致）。

• 内核区存放操作系统代码、内核数据、页表、驱动等；

• 内核区是所有进程共享映射：每个进程的页表里面都映射了同一份内核地址，但是用户态代码不能直接访问内核地址。

为什么不能直接访问？
CPU 通过 CS 寄存器的两位标记区分当前特权级：

• 00：内核态（Ring0），权限最高，可以访问所有内存、执行特权指令

• 11：用户态（Ring3），权限受限

用户态代码想要使用内核能力，不能直接读写内核内存，只能通过系统调用（syscall），主动陷入内核，由内核代为执行操作。

信号的处理、sigprocmask、sigaction 底层全部都是系统调用，走这个陷入内核的流程。

Part2. sigaction

函数原型
cpp 复制代码
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
• signum：要捕获的信号编号

• act：入参，我们配置的信号捕获动作（回调、掩码、标志）

• oldact：出参，保存这个信号之前旧的配置，方便后续恢复信号行为

对比 signal()：signal 是简化版、兼容性差，不同Unix系行为不一样；sigaction 是 POSIX 标准，功能完备，生产代码一律优先 sigaction。
cpp 复制代码
核心结构体 struct sigaction
struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t sa_mask;    
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};
重点：sa_mask 是什么？
sa_mask：当正在执行这个信号的处理函数的时候，自动追加屏蔽的信号集合。

注意区分两个掩码：

1. sigprocmask：进程全局的信号屏蔽字，进程全程生效

2. sa_mask：仅在当前信号handler执行期间临时生效，handler执行完毕，这个掩码自动撤销。

举例子：
我们注册 SIGINT 的handler，并且给 sa_mask 添加 SIGQUIT、SIGUSR1、SIGUSR2。
流程：

1. 收到SIGINT，进入handler

2. 内核自动把 SIGQUIT、SIGUSR1、SIGUSR2 加入阻塞掩码

3. handler运行期间，就算来了SIGQUIT，只会放到pending，不会打断当前handler

4. handler函数return退出之后，sa_mask自动失效，恢复到进入handler之前的掩码状态
默认行为：信号本身会被自动屏蔽。比如处理SIGINT的时候，再来一个SIGINT，默认会阻塞，不会递归触发handler。
sa_mask 用来额外增加其他需要屏蔽的信号。

Part3. 可重入函数

什么是可重入函数：函数可以被异步打断，中途再次进入调用，多次执行不会出现数据错乱、未定义行为。
信号handler是异步回调：主线程正在跑业务，随时可能被信号打断，跳转去执行handler。

如果handler里面调用了不可重入函数，就会引发灾难：
典型不可重入函数：malloc / free / printf / std::string 相关操作
原因：malloc 内部维护全局堆链表，printf 维护全局缓冲区。主线程正在执行malloc，半路被信号打断，handler里面又调用malloc，链表状态被破坏，直接内存损坏、程序崩溃。

信号handler里推荐：

• 只做极简操作：设置全局标记变量、write写简单日志（write是可重入的系统调用）
禁止：动态内存分配、C++ STL容器、printf、复杂业务逻辑

一句话：信号处理函数中，只能调用异步信号安全（可重入）的函数。

Part4. volatile 关键字

问题场景
cpp 复制代码
int g_flag = 0;
void handler(int sig)
{
    g_flag = 1;
}
int main()
{
    signal(SIGINT, handler);
    while(g_flag == 0)
    {
        // 循环等待
    }
    printf("exit\n");
    return 0;
}
开启编译器优化（-O2）之后会出现bug：
编译器发现main循环里面没有修改g_flag，优化逻辑：把g_flag读到寄存器，之后循环只读取寄存器的值，不再去内存读取。

handler修改的是内存中的g_flag，但是main循环看不见内存的更新，循环永远卡死！

volatile 作用

volatile int g_flag = 0;
告诉编译器：这个变量的值可能被外部异步修改（信号、硬件寄存器），不要优化缓存到寄存器，每次读取都必须从内存读取。
注意：volatile 不保证原子性！只是阻止编译器优化，多线程/信号场景下，需要的时候还需要同步原语。

Part5. SIGCHLD

信号含义

当子进程终止、停止的时候，内核会给父进程发送 SIGCHLD 信号。
僵尸进程的来源：子进程退出，父进程没有调用 wait / waitpid 读取子进程退出状态，子进程PCB残留，变成僵尸。

坑1：普通信号不排队

SIGCHLD属于普通信号，pending只是位图。
如果短时间内多个子进程同时退出，连续多次发送SIGCHLD，pending位图只会置1一次，handler只会触发一次。
如果handler里面只wait一次，会漏掉大量子进程，残留僵尸。

正确写法：handler里面循环非阻塞waitpid，直到没有已经退出的子进程
cpp 复制代码
void sigchld_handler(int sig)
{
    pid_t pid;
    // WNOHANG：非阻塞，没有已退出子进程立刻返回0，不阻塞卡死
    while( (pid = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG)) > 0 )
    {
        printf("reaped child pid = %d\n", pid);
    }
}
解释：

• waitpid(-1, ...)：等待任意子进程

• WNOHANG：非阻塞标志，没有就绪子进程返回0，不会卡住handler

• while循环：一轮handler里面，把所有已经退出的子进程一次性全部回收干净、

坑2：SIG_IGN 特殊特性
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
在Linux下，将SIGCHLD设置为忽略，内核会自动回收退出的子进程，不会产生僵尸进程。

注意：这个行为不是标准POSIX规定，属于Linux扩展，跨平台代码不推荐依赖这个写法，生产可控方案依然是手动注册handler循环waitpid。

Part6. 结语

这篇文章我们深入的知道了信号和可重入函数的相关知识，接下来，小编还会带来更多Linux相关的知识，敬请期待~
最后，祝大家可以：春风得意马蹄疾，一日看尽长安花！

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