07線程信號(hào)處理

?專欄內(nèi)容：

• 參天引擎內(nèi)核架構(gòu)
  本專欄一起來聊聊參天引擎內(nèi)核架構(gòu)，以及如何實(shí)現(xiàn)多機(jī)的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)的多讀多寫，與傳統(tǒng)主備，MPP的區(qū)別，技術(shù)難點(diǎn)的分析，數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)同步，多主節(jié)點(diǎn)的情況下對(duì)故障容災(zāi)的支持。

• 手寫數(shù)據(jù)庫toadb
  本專欄主要介紹如何從零開發(fā)，開發(fā)的步驟，以及開發(fā)過程中的涉及的原理，遇到的問題等，讓大家能跟上并且可以一起開發(fā)，讓每個(gè)需要的人成為參與者。
  本專欄會(huì)定期更新，對(duì)應(yīng)的代碼也會(huì)定期更新，每個(gè)階段的代碼會(huì)打上tag，方便階段學(xué)習(xí)。

?開源貢獻(xiàn)：

• toadb開源庫

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管理社區(qū)：開源數(shù)據(jù)庫
座右銘：天行健，君子以自強(qiáng)不息；地勢坤，君子以厚德載物.

前言

現(xiàn)代的CPU都是多core處理器，而且在intel處理器中每個(gè)core又可以多個(gè)processor，形成了多任務(wù)并行處理的硬件架構(gòu)，在服務(wù)器端的處理器上架構(gòu)又有一些不同，傳統(tǒng)的采用SMP，也就是對(duì)稱的多任務(wù)處理架構(gòu)，每個(gè)任務(wù)都可以對(duì)等的訪問所有內(nèi)存，外設(shè)等，而如今在ARM系列CPU上，多采用NUMA架構(gòu)，它將CPU核分了幾個(gè)組，給每個(gè)組的CPU core分配了對(duì)應(yīng)的內(nèi)存和外設(shè)，CPU訪問對(duì)應(yīng)的內(nèi)存和外設(shè)時(shí)速度最優(yōu)，跨組訪問時(shí)性能會(huì)降底一些。

隨著硬件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，它們對(duì)一般應(yīng)用的性能優(yōu)化能力越來越強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于服務(wù)器軟件的開發(fā)，提出更高要求，要想達(dá)到極高的并發(fā)和性能，就需要充分利用當(dāng)前硬件架構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)它們進(jìn)行壓榨。那么，我們的應(yīng)用至少也是要采用多任務(wù)架構(gòu)，不管是多線程還是多進(jìn)程的多任務(wù)架構(gòu)，才可以充分利用硬件的資源，達(dá)到高效的處理能力。

當(dāng)然多任務(wù)框架的采用，不僅僅是多線程的執(zhí)行，需要對(duì)多任務(wù)下帶來的問題進(jìn)行處理，如任務(wù)執(zhí)行返回值獲取，任務(wù)間數(shù)據(jù)的傳遞，任務(wù)執(zhí)行次序的協(xié)調(diào)；當(dāng)然也不是任務(wù)越多處理越快，要避免線程過多導(dǎo)致操作系統(tǒng)夯住，也要防止任務(wù)空轉(zhuǎn)過快導(dǎo)致CPU使用率飆高。

本專欄主要介紹使用多線程與多進(jìn)程模型，如何搭建多任務(wù)的應(yīng)用框架，同時(shí)對(duì)多任務(wù)下的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)同步，任務(wù)控制，以及CPU core與任務(wù)綁定等相關(guān)知識(shí)的分享，讓大家在實(shí)際開發(fā)中輕松構(gòu)建自已的多任務(wù)程序。

概述

信號(hào)是linux平臺(tái)下一個(gè)重要的并發(fā)通信方式，對(duì)于簡單的指令可以非常方便的通知到另外的并發(fā)任務(wù)，同時(shí)利用了軟中斷的機(jī)制，讓信號(hào)的接收變得很高效。

我們知道信號(hào)一般針對(duì)的都是進(jìn)程，NTPL線程庫和C標(biāo)準(zhǔn)庫給我們提供了一些API，可以在線程級(jí)別發(fā)送和接收信號(hào)，同時(shí)可以控制信號(hào)阻塞狀態(tài)。

線程級(jí)別的信號(hào)處理API分為以下幾類：

• 線程信號(hào)阻塞狀態(tài)控制 pthread_sigmask
• 線程信號(hào)發(fā)送 pthread_kill
• 信號(hào)等待處理sigwait,sigtimedwait,sigwaitinfo

線程信號(hào)處理流程

信號(hào)從產(chǎn)生到處理掉，整個(gè)過程可能需要花費(fèi)很長時(shí)間，也可能非?？?，中間會(huì)經(jīng)過幾個(gè)過程：

• 信號(hào)產(chǎn)生，也就是發(fā)送信號(hào)成功；
• 信號(hào)投遞，也就是信號(hào)被傳遞給了信號(hào)接收者；
• 信號(hào)等待處理，信號(hào)接收者將信號(hào)放入等待處理隊(duì)列；如果是非實(shí)時(shí)信號(hào)，隊(duì)列中只有一個(gè)相同信號(hào)，實(shí)時(shí)信號(hào)多個(gè)相同信號(hào)都會(huì)入隊(duì)；如果接收者選擇忽略該信號(hào)，則信號(hào)被丟棄；
• 信號(hào)處理，接收者調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)處理信號(hào)；這里的信號(hào)處理函數(shù)可以是用戶設(shè)置的，也可以是系統(tǒng)默認(rèn)的；

在這幾個(gè)過程中，中間兩個(gè)過程認(rèn)為是信號(hào)未決，等待處理隊(duì)列可以認(rèn)為是未決隊(duì)列，當(dāng)我們阻塞某個(gè)信號(hào)時(shí)，它就會(huì)一直在等待隊(duì)列中，直到信號(hào)阻塞狀態(tài)取消才會(huì)調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)。

那么涉及信號(hào)處理的，就有三個(gè)內(nèi)容：

• 信號(hào)掩碼
• 信號(hào)未決隊(duì)列
• 信號(hào)處理函數(shù)

下面我們來看一下進(jìn)程與線程信號(hào)處理流程，以及它們的不同點(diǎn)。

進(jìn)程信號(hào)的處理

進(jìn)程會(huì)有一個(gè)信號(hào)掩碼（屏蔽字，其中的信號(hào)會(huì)被阻塞）信號(hào)一般會(huì)先到達(dá)進(jìn)程，然后再分發(fā)到進(jìn)程所屬的線程，當(dāng)然分發(fā)給誰，這就很難確定。

信號(hào)未決隊(duì)列，進(jìn)程會(huì)有一個(gè)，它里面會(huì)有所有到達(dá)的信號(hào)；

信號(hào)處理函數(shù)的設(shè)置，也是進(jìn)程級(jí)別，也就是說信號(hào)處理函數(shù)只有一個(gè)，不管那個(gè)線程修改了，進(jìn)程所屬的所有線程都會(huì)改變。

線程信號(hào)的處理

對(duì)于線程，它是好像是下級(jí)部門，指令下達(dá)就有點(diǎn)困難。
信號(hào)掩碼和信號(hào)未決隊(duì)列，這兩個(gè)每個(gè)線程都會(huì)有獨(dú)立的一份，各線程可以自己設(shè)置，默認(rèn)是從創(chuàng)建者線程繼承而來，在線程創(chuàng)建時(shí)，被創(chuàng)建的線程的信號(hào)未決隊(duì)列會(huì)被初始化為空。

如前面所說，信號(hào)處理函數(shù)沒有線程獨(dú)立的。

線程的困難就來了，對(duì)于信號(hào)是否能收到，在進(jìn)程收到信號(hào)時(shí)，會(huì)分發(fā)給不阻塞該信號(hào)的其中一個(gè)線程，不確定會(huì)發(fā)給那個(gè)線程，對(duì)于線程來講，難啊。

線程也有一個(gè)優(yōu)勢，就是獲取的信號(hào)未決隊(duì)列，是當(dāng)前線程的未決列表與進(jìn)程隊(duì)列的未決列表的并集。

線程級(jí)的信號(hào)處理，一般采用將它需要處理的信號(hào)阻塞住，進(jìn)程級(jí)的阻塞，這樣所有線程都不會(huì)處理該信號(hào)，然后線程就可以從未決隊(duì)列檢查是否有自己想要的信號(hào)了。

信號(hào)阻塞掩碼設(shè)置

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

通過此函數(shù)可以設(shè)置線程的信號(hào)阻塞掩碼值，它與進(jìn)程信號(hào)設(shè)置函數(shù)sigprocmask功能和使用方法一樣，只是應(yīng)用對(duì)象不同，一個(gè)是多線程下的，后者是多進(jìn)程并發(fā)。

參數(shù)取值說明

how 的取值如下：

• SIG_BLOCK ， set 信號(hào)集為阻塞信號(hào)，加入到原來的阻塞信號(hào)列表中，也就是增加set中的信號(hào)到阻塞信號(hào)列表中；
• SIG_UNBLOCK ， 在阻塞信號(hào)列表中移除set中設(shè)置的信號(hào)，也就是將set中的信號(hào)解除阻塞；當(dāng)然對(duì)于當(dāng)前沒有阻塞的信號(hào)，不能進(jìn)行解除阻塞；
• SIG_SETMASK ， 將阻塞信號(hào)列表替換為 set中的信號(hào)列表，也就是將阻塞信號(hào)列表設(shè)置為set中的信號(hào)；

set 是當(dāng)前需要設(shè)置的信號(hào)列表；

oldset 返回舊的信號(hào)列表，可以為NULL，則不接收舊的信號(hào)列表；

而信號(hào)集的設(shè)置, 有一套函數(shù)如下案例中的sigemptyset 清空集合， sigaddset 添加信號(hào)到集合。

發(fā)送信號(hào)

向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)的函數(shù)是kill，但是它會(huì)向進(jìn)程內(nèi)的所有線程都會(huì)發(fā)送信號(hào)；

給某一指定線程發(fā)送信號(hào)，在NPTL線程庫中定義了專門的函數(shù)。

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

參數(shù)也非常明確，線程的標(biāo)識(shí)符和需要發(fā)送的信號(hào)ID；

這里需要特別注意：

• 只能向當(dāng)前線程所屬的進(jìn)程范圍內(nèi)的線程發(fā)送信號(hào)，當(dāng)然包括自己
• 線程必須是存在的，不存在時(shí)會(huì)有些未定義的行為

信號(hào)等待

等待信號(hào)集set中指定的信號(hào)到達(dá)，這些信號(hào)需要所有線程設(shè)置為阻塞狀態(tài)，在信號(hào)未決列表中的信號(hào)都會(huì)被檢測到，取出當(dāng)前線程需要檢測的信號(hào)。

#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);

這三個(gè)函數(shù)都是C標(biāo)準(zhǔn)庫提供，并不是NPTL線程庫提供的，所以它們的函數(shù)命名不帶pthread。

當(dāng)信號(hào)沒有到達(dá)時(shí)，會(huì)處于阻塞狀態(tài)；當(dāng)信號(hào)到達(dá)時(shí)，第一個(gè)函數(shù)會(huì)返回信號(hào)數(shù)字值，而后兩個(gè)會(huì)返回信號(hào)的信號(hào)結(jié)構(gòu)siginfo_t；

與前兩個(gè)不同的時(shí)，第三個(gè)函數(shù)可以指定超時(shí)時(shí)間，當(dāng)信號(hào)未到達(dá)，又到了超時(shí)時(shí)間時(shí)，返回錯(cuò)誤-1，此時(shí)errno為EAGAIN；

• 參數(shù)說明

set ,信號(hào)信，設(shè)置了要等待的信號(hào)；

代碼案例

通過一個(gè)例子來看一下。

/* 
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 *
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 * 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;    
}

這段程序?qū)⑿盘?hào)SIGQUIT和SIGUSR1添加到阻塞信號(hào)列表中，之后這兩個(gè)信號(hào)到達(dá)進(jìn)程時(shí)會(huì)被阻塞在信號(hào)隊(duì)列中，同時(shí)它創(chuàng)建的線程也會(huì)繼承這個(gè)信號(hào)掩碼。

阻塞信號(hào)的意思是，線程收到了，只是將它放入信號(hào)未決隊(duì)列中不調(diào)用處理函數(shù)，為了檢測是否線程收到了這兩個(gè)信號(hào)，我們?cè)谧泳€程中通過信號(hào)集進(jìn)行檢測，當(dāng)收到我們發(fā)出的信號(hào)時(shí)進(jìn)行打印，當(dāng)收到SIGQUIT時(shí)，退出線程。

執(zhí)行結(jié)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

可以看到主線程和子線程收到這兩個(gè)信號(hào)后，都沒有反應(yīng)，被阻塞了，而我們的信號(hào)集檢測發(fā)現(xiàn)確實(shí)收到了這兩個(gè)信號(hào)；
kill 命令是給進(jìn)程發(fā)達(dá)了信號(hào)，該信號(hào)會(huì)給當(dāng)前進(jìn)程的所有線程都會(huì)發(fā)送相同信號(hào)，所以主線程和子線程都會(huì)收到。

總結(jié)

在目前線程信號(hào)實(shí)現(xiàn)的機(jī)制下，多線程的信號(hào)處理，信號(hào)處理會(huì)在單獨(dú)的某個(gè)線程進(jìn)行。比如進(jìn)程退出時(shí)，也是由進(jìn)程給每一個(gè)線程再發(fā)送退出信號(hào)，多線程的實(shí)現(xiàn)方法與此類似。

在具有事件循環(huán)的應(yīng)用中，在信號(hào)的的 handler 中，可以將信號(hào)直接放入程序的隊(duì)列中，立刻返回。這樣直到線程從程序的隊(duì)列中取出這個(gè)信號(hào)為止，整個(gè)線程看起來就像沒有“中斷”。

本文所涉及的代碼已經(jīng)上傳到工程hatchCode, 在multipleThreads/example_07目錄下；

結(jié)尾

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作者郵箱：study@senllang.onaliyun.com
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到了這里，關(guān)于【linux 多線程并發(fā)】多線程模型下的信號(hào)通信處理，與多進(jìn)程處理的比較，屬于相同進(jìn)程的線程信號(hào)分發(fā)機(jī)制的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！