【linux 多线程并发】多线程模型下的信号通信处理，与多进程处理的比较，属于相同进程的线程信号分发机制

07线程信号处理

专栏内容：

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本专栏一起来聊聊参天引擎内核架构，以及如何实现多机的数据库节点的多读多写，与传统主备，MPP的区别，技术难点的分析，数据元数据同步，多主节点的情况下对故障容灾的支持。

手写数据库toadb
本专栏主要介绍如何从零开发，开发的步骤，以及开发过程中的涉及的原理，遇到的问题等，让大家能跟上并且可以一起开发，让每个需要的人成为参与者。
本专栏会定期更新，对应的代码也会定期更新，每个阶段的代码会打上tag，方便阶段学习。

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文章目录

07线程信号处理
前言
概述
线程信号处理流程
- 进程信号的处理
- 线程信号的处理
信号阻塞掩码设置
- 参数取值说明
发送信号
信号等待
代码案例
总结
结尾

前言

现代的CPU都是多core处理器，而且在intel处理器中每个core又可以多个processor，形成了多任务并行处理的硬件架构，在服务器端的处理器上架构又有一些不同，传统的采用SMP，也就是对称的多任务处理架构，每个任务都可以对等的访问所有内存，外设等，而如今在ARM系列CPU上，多采用NUMA架构，它将CPU核分了几个组，给每个组的CPU core分配了对应的内存和外设，CPU访问对应的内存和外设时速度最优，跨组访问时性能会降底一些。

随着硬件技术的持续发展，它们对一般应用的性能优化能力越来越强，同时对于服务器软件的开发，提出更高要求，要想达到极高的并发和性能，就需要充分利用当前硬件架构的特点，对它们进行压榨。那么，我们的应用至少也是要采用多任务架构，不管是多线程还是多进程的多任务架构，才可以充分利用硬件的资源，达到高效的处理能力。

当然多任务框架的采用，不仅仅是多线程的执行，需要对多任务下带来的问题进行处理，如任务执行返回值获取，任务间数据的传递，任务执行次序的协调；当然也不是任务越多处理越快，要避免线程过多导致操作系统夯住，也要防止任务空转过快导致CPU使用率飙高。

本专栏主要介绍使用多线程与多进程模型，如何搭建多任务的应用框架，同时对多任务下的数据通信，数据同步，任务控制，以及CPU core与任务绑定等相关知识的分享，让大家在实际开发中轻松构建自已的多任务程序。

概述

信号是linux平台下一个重要的并发通信方式，对于简单的指令可以非常方便的通知到另外的并发任务，同时利用了软中断的机制，让信号的接收变得很高效。

我们知道信号一般针对的都是进程，NTPL线程库和C标准库给我们提供了一些API，可以在线程级别发送和接收信号，同时可以控制信号阻塞状态。

线程级别的信号处理API分为以下几类：

线程信号阻塞状态控制 pthread_sigmask
线程信号发送 pthread_kill
信号等待处理sigwait,sigtimedwait,sigwaitinfo

线程信号处理流程

信号从产生到处理掉，整个过程可能需要花费很长时间，也可能非常快，中间会经过几个过程：

信号产生，也就是发送信号成功；
信号投递，也就是信号被传递给了信号接收者；
信号等待处理，信号接收者将信号放入等待处理队列；如果是非实时信号，队列中只有一个相同信号，实时信号多个相同信号都会入队；如果接收者选择忽略该信号，则信号被丢弃；
信号处理，接收者调用信号处理函数处理信号；这里的信号处理函数可以是用户设置的，也可以是系统默认的；

在这几个过程中，中间两个过程认为是信号未决，等待处理队列可以认为是未决队列，当我们阻塞某个信号时，它就会一直在等待队列中，直到信号阻塞状态取消才会调用信号处理函数。

那么涉及信号处理的，就有三个内容：

信号掩码
信号未决队列
信号处理函数

下面我们来看一下进程与线程信号处理流程，以及它们的不同点。

进程信号的处理

进程会有一个信号掩码（屏蔽字，其中的信号会被阻塞）信号一般会先到达进程，然后再分发到进程所属的线程，当然分发给谁，这就很难确定。

信号未决队列，进程会有一个，它里面会有所有到达的信号；

信号处理函数的设置，也是进程级别，也就是说信号处理函数只有一个，不管那个线程修改了，进程所属的所有线程都会改变。

线程信号的处理

对于线程，它是好像是下级部门，指令下达就有点困难。
信号掩码和信号未决队列，这两个每个线程都会有独立的一份，各线程可以自己设置，默认是从创建者线程继承而来，在线程创建时，被创建的线程的信号未决队列会被初始化为空。

如前面所说，信号处理函数没有线程独立的。

线程的困难就来了，对于信号是否能收到，在进程收到信号时，会分发给不阻塞该信号的其中一个线程，不确定会发给那个线程，对于线程来讲，难啊。

线程也有一个优势，就是获取的信号未决队列，是当前线程的未决列表与进程队列的未决列表的并集。

线程级的信号处理，一般采用将它需要处理的信号阻塞住，进程级的阻塞，这样所有线程都不会处理该信号，然后线程就可以从未决队列检查是否有自己想要的信号了。

信号阻塞掩码设置

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

通过此函数可以设置线程的信号阻塞掩码值，它与进程信号设置函数sigprocmask功能和使用方法一样，只是应用对象不同，一个是多线程下的，后者是多进程并发。

参数取值说明

how 的取值如下：

SIG_BLOCK ， set 信号集为阻塞信号，加入到原来的阻塞信号列表中，也就是增加set中的信号到阻塞信号列表中；
SIG_UNBLOCK ，在阻塞信号列表中移除set中设置的信号，也就是将set中的信号解除阻塞；当然对于当前没有阻塞的信号，不能进行解除阻塞；
SIG_SETMASK ，将阻塞信号列表替换为 set中的信号列表，也就是将阻塞信号列表设置为set中的信号；

set 是当前需要设置的信号列表；

oldset 返回旧的信号列表，可以为NULL，则不接收旧的信号列表；

而信号集的设置, 有一套函数如下案例中的sigemptyset 清空集合， sigaddset 添加信号到集合。

发送信号

向进程发送信号的函数是kill，但是它会向进程内的所有线程都会发送信号；

给某一指定线程发送信号，在NPTL线程库中定义了专门的函数。

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

参数也非常明确，线程的标识符和需要发送的信号ID；

这里需要特别注意：

只能向当前线程所属的进程范围内的线程发送信号，当然包括自己
线程必须是存在的，不存在时会有些未定义的行为

信号等待

等待信号集set中指定的信号到达，这些信号需要所有线程设置为阻塞状态，在信号未决列表中的信号都会被检测到，取出当前线程需要检测的信号。

#include <signal.h>
int sigwait(const sigset_t *restrict set, int *restrict sig);int sigwaitinfo(const sigset_t *restrict set,siginfo_t *_Nullable restrict info);int sigtimedwait(const sigset_t *restrict set,siginfo_t *_Nullable restrict info,const struct timespec *restrict timeout);

这三个函数都是C标准库提供，并不是NPTL线程库提供的，所以它们的函数命名不带pthread。

当信号没有到达时，会处于阻塞状态；当信号到达时，第一个函数会返回信号数字值，而后两个会返回信号的信号结构siginfo_t；

与前两个不同的时，第三个函数可以指定超时时间，当信号未到达，又到了超时时间时，返回错误-1，此时errno为EAGAIN；

参数说明

set ,信号信，设置了要等待的信号；

代码案例

通过一个例子来看一下。

/* * created by senllang 2024/1/4 * mail : study@senllang.onaliyun.com ** Copyright (c) 2023-2024 senllang* This is licensed under Mulan PSL v2.* You can use this software according to the terms and conditions of the Mulan PSL v2.* You may obtain a copy of Mulan PSL v2 at:* http://license.coscl.org.cn/MulanPSL2* THIS SOFTWARE IS PROVIDED ON AN "AS IS" BASIS, WITHOUT WARRANTIES OF ANY KIND,* EITHER EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO NON-INFRINGEMENT,* MERCHANTABILITY OR FIT FOR A PARTICULAR PURPOSE.* See the Mulan PSL v2 for more details.* */#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>static void *
sig_thread(void *arg)
{sigset_t *set = arg;int s, sig;for (;;){s = sigwait(set, &sig);if (s != 0)perror("sigwait");printf("Signal handling thread got signal %d\n", sig);if(sig == SIGQUIT)break;}
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t thread;sigset_t set;int s;void *res;/* Block SIGQUIT and SIGUSR1; other threads created by main()will inherit a copy of the signal mask. */sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGQUIT);sigaddset(&set, SIGUSR1);s = pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);if (s != 0)perror("pthread_sigmask");s = pthread_create(&thread, NULL, &sig_thread, &set);if (s != 0)perror("pthread_create");s = pthread_join(thread, &res);if (s != 0)perror( "pthread_join");return 0;    
}

这段程序将信号SIGQUIT和SIGUSR1添加到阻塞信号列表中，之后这两个信号到达进程时会被阻塞在信号队列中，同时它创建的线程也会继承这个信号掩码。

阻塞信号的意思是，线程收到了，只是将它放入信号未决队列中不调用处理函数，为了检测是否线程收到了这两个信号，我们在子线程中通过信号集进行检测，当收到我们发出的信号时进行打印，当收到SIGQUIT时，退出线程。

执行结果如下：

[senllang@hatch example_07]$ gcc -lpthread threadSignalSetmask.c 
[senllang@hatch example_07]$ ./a.out &
[1] 2560005
[senllang@hatch example_07]$ kill -USR1 %1
Signal handling thread got signal 10
[senllang@hatch example_07]$ kill -USR1 %1
Signal handling thread got signal 10
[senllang@hatch example_07]$ kill -QUIT %1
Signal handling thread got signal 3
[1]+  Done                    ./a.out