Linux signalfd 原理

信号是什么？

信号是事件发送时对进程的一种通知机制。有时也称之为软件中断。信号与硬件中断的相似之处在于打断了程序执行的正常流程，大多情况下，无法预测信号到达的精确时间。

一个具有合适权限的进程不仅能够向另一进程发送信号，也可以向自身发送信号。然而，发往进程的诸多信号，通常都是源于内核。

linux 信号可由如下条件产生：

• 对于前台进程，用户可以通过输入特殊的终端字符来给它发送信号。比如输出 Ctrl+C 通常会给进程发送一个终端信号。
• 系统异常。比如浮点异常和非法访问段内存。
• 系统状态变化。比如 alarm 定时器到期引起的 SIGALRM 信号。
• 运行 kill 命令或者调用 kill 函数。

服务器程序必须处理(或至少忽略)一些常见的信号，以免异常终止。

signalfd 是什么？

signalfd 是一个将信号抽象的文件描述符，将信号的异步处理转换为文件的I/O 操作。通过文件描述符就绪的方法来通知信号的到来，当有信号发生时可以对其 read，这样可以将信号的监听放到 select、poll、epoll 等监听队列中。

通过文件描述符就绪的方法来通知信号的到来，当有信号发生时可以对其read，这样可以将信号的监听放到 select、poll、epoll 等监听队列中。

signalfd 的系统调用接口

#include <sys/signalfd.h>
int signalfd(int fd, const sigset_t *mask, int flags);

创建并返回一个用于所受信号的文件描述符。

mask：信号的集合，这里主要是你想监听的信号的集合。

flags 可以使用以下标志位进行或（or）的结果：

• SFD_NONBLOCK: 文件会被设置成 O_NONBLOCK，读操作不阻塞。若不设置，一直阻塞直到计数器中的值大于0。
• SFD_CLOEXEC: 在新的文件描述符上设置 close-on-exec ( FD_CLOEXEC ) 标志，简单说就是 fork 子进程时不继承。

获取 signalfd 文件描述符后，我们来查看一下可以对其做哪些操作。

static const struct file_operations signalfd_fops = {
#ifdef CONFIG_PROC_FS
.show_fdinfo = signalfd_show_fdinfo,
#endif
.release = signalfd_release,
.poll = signalfd_poll,
.read = signalfd_read,
.llseek = noop_llseek,
};

通过上面 signalfd 实现的调用可知， 我们可以对 eventfd 进行 read、poll、close 等操作。

下面通过一个例子来了解下 signalfd 的使用方式，具体完整代码可通过 man signalfd 获取

int mAIn(int argc, char *argv[])
{
...
//初始化信号集
sigemptyset(&mask);
//添加信号到信号集中
sigaddset(&mask, SIGINT);
sigaddset(&mask, SIGQUIT);
//将mask所指向的信号集中所包含的信号加到当前的信号掩码中，作为新的信号屏蔽字，关闭内核的默认行为。
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL)
//创建 signalfd 文件描述符
sfd = signalfd(-1, &mask, 0);
for (;;) {
//阻塞等待信号发生并读取。根据读取的结果可以知道发生了什么信号
s = read(sfd, &fdsi, sizeof(fdsi));
if (fdsi.ssi_signo == SIGINT) {
printf("Got SIGINTn");
} else if (fdsi.ssi_signo == SIGQUIT) {
printf("Got SIGQUITn");
exit(EXIT_SUCCESS);
} else {
printf("Read unexpected signaln");
}
}
}

当没有信号时，进程阻塞在 read 调用上，当有信号发生时，结果如下：

$ ./signalfd_demo
^C # Control-C generates SIGINT
Got SIGINT
^C
Got SIGINT
^ # Control- generates SIGQUIT
Got SIGQUIT
$

每次 Control + C，进程都会捕获到一次信号，并打印具体信息。

通过如下查看，得到 signalfd 其实也是一个匿名 fd 类型。

[root@localhost ~]# ll /proc/48356/fd/
lrwx------ 1 root root 64 5月 23 11:54 3 ->anon_inode:[signalfd]

signalfd 源码解析

接下来我们通过分析源码的方式来探究 signalfd 的底层实现原理。

signalfd ( signalfd4 )

SYSCALL_DEFINE3(signalfd, int, ufd, sigset_t __user *, user_mask, size_t, sizemask)
{
...
return do_signalfd4(ufd, &mask, 0);
}
SYSCALL_DEFINE4(signalfd4, int, ufd, sigset_t __user *, user_mask, size_t, sizemask, int, flags)
{
...
return do_signalfd4(ufd, &mask, flags);
}
static int do_signalfd4(int ufd, sigset_t *mask, int flags)
{
struct signalfd_ctx *ctx;
sigdelsetmask(mask, sigmask(SIGKILL) | sigmask(SIGSTOP));
signotset(mask);
//内核新创建signalfd
if (ufd == -1) {
//创建一个signalfd_ctx内核结构
ctx = kmalloc(sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
//设置信号集合
ctx->sigmask = *mask;
//获取一个匿名句柄，file->f_op 设置为 signalfd_fops
ufd = anon_inode_getfd("[signalfd]", &signalfd_fops, ctx, O_RDWR | (flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK)));
} else { //已经创建signalfd
//合法性检查
struct fd f = fdget(ufd);
//设置为新的值
ctx->sigmask = *mask;
//唤醒阻塞在当前进程的信号等待队列
wake_up(¤t->sighand->signalfd_wqh);
fdput(f);
}
return ufd;
}

signalfd 的操作就是创建或者修改内核结构 signalfd_ctx，signalfd 本身也是一个匿名句柄。

对于 signalfd_ctx 内核结构，就只有一个字段，该字段记录用户设置的信号集合。

struct signalfd_ctx {
sigset_t sigmask;
};

signalfd_read

static ssize_t signalfd_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
int nonblock = file->f_flags & O_NONBLOCK;
count /= sizeof(struct signalfd_siginfo);
//存放读取到的数据结构
siginfo = (struct signalfd_siginfo __user *) buf;
do {
//从信号队列中获取一个信号，然后填充到info中
ret = signalfd_dequeue(ctx, &info, nonblock);
//把获取到的信号填充到返回给用户的数据结构中
ret = signalfd_copyinfo(siginfo, &info);
siginfo++;
total += ret;
nonblock = 1;
} while (--count);
return total ? total: ret;
}
static ssize_t signalfd_dequeue(struct signalfd_ctx *ctx, kernel_siginfo_t *info,
int nonblock)
{
ssize_t ret;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
spin_lock_irq(¤t->sighand->siglock);
//从挂起信号队列中获取信号
ret = dequeue_signal(current, &ctx->sigmask, info);
switch (ret) {
case 0: //若没有信号，判断是否需要阻塞
if (!nonblock)
break; //阻塞，跳出，往下走进行休眠
ret = -EAGAIN; //非阻塞，往下走到default，函数返回
default:
spin_unlock_irq(¤t->sighand->siglock);
return ret;
}
//把当前进程加入信号等待队里中
add_wait_queue(¤t->sighand->signalfd_wqh, &wait);
for (;;) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
//从挂起信号队列中获取信号
ret = dequeue_signal(current, &ctx->sigmask, info);
//存在信号，跳出循环，退出
if (ret != 0)
break;
//检查当前进程是否有信号处理，返回不为0表示有信号需要处理
if (signal_pending(current)) {
ret = -ERESTARTSYS;
break;
}
spin_unlock_irq(¤t->sighand->siglock);
schedule(); //进程调度，进入休眠
spin_lock_irq(¤t->sighand->siglock);
}
spin_unlock_irq(¤t->sighand->siglock);
//把当前进程从等待队列中删除
remove_wait_queue(¤t->sighand->signalfd_wqh, &wait);
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return ret;
}

signalfd 的读操作很简单，主要操作如下：

• 查看信号队列中是否有信号，若有信号取出信号，并返回给用户。
• 若句柄是阻塞类型的，在没有信号的情况下，则进程进入休眠，直到有信号到来。
• 若句柄是非阻塞类型的，则直接返回 EAGAIN。
•  

signalfd_poll

static __poll_t signalfd_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
struct signalfd_ctx *ctx = file->private_data;
__poll_t events = 0;
//把一个wait等待队列挂到当前进程的信号等待队列signalfd_wqh，其回调函数为ep_poll_callback
poll_wait(file, ¤t->sighand->signalfd_wqh, wait);
...
return events;
}

该函数的操作就是把 wait对象直接挂到当前进程的信号等待队列signalfd_wqh 中，对比 timerfd 来讲，区别在于 timerfd 的 wait 对象是挂到 timerfd_ctx->wqh 链表中。(详情参看定时器timerfd原理)

signalfd 与 epoll 的结合

• 当 epoll_ctl 调用 signalfd_poll 时，会把生成的 wait 对象挂到当前进程的信号等待队列 signalfd_wqh 中，其中 wait 的回调函数为ep_poll_callback 。
• 当触发信号时，内核会遍历 signalfd_wqh 上的 wait 对象，然后调用回调函数 ep_poll_callback，在该回调函数中会把触发的事件发送到用户态，然后唤醒由于调用 epoll_wait 而休眠的进程，唤醒后的进程调调用 ead 去取信号。