信号处理设计模式

问题

如何编写信号安全的应用程序？

Linux 应用程序安全性讨论

场景一：不需要处理信号

• 应用程序实现单一功能，不需要关注信号
  • 如：数据处理程序，文件加密程序，科学计算程序

场景二：需要处理信号

• 应用程序长时间运行，需要关注信号，并即使处理
  • 如：服务端程序，上位机程序

场景一：不需要信号处理 (单一功能应用程序)

场景二：需要处理信号 (长时间运行的应用)

同步方案

• 通过标记同步处理信号，整个应用中只有一个执行流

异步方案

• 专用任务处理，应用中存在多个执行流 (多线程应用)
• 设置专用信号处理任务，其它任务忽略信号，专注功能实现

同步解决方案 (单任务)

信号处理逻辑与程序逻辑位于同一个上下文

• 即：信号处理函数和主函数不存在资源竞争关系

方案设计一

• 将任务分解为子任务(每个任务可对应一个函数)
• 信号递达时，信号处理函数中仅标记递达状态
• 子任务处理结束后，真正执行信号处理

同步方案示例一

存在的问题

由于给每个信号唯一的标记位置，因此，所有信号转变为不可靠信号；并且仅保留最近递达的信号信息

方案设计二

将任务分解为子任务 (每个任务可对应一个函数)

• 创建信号文件描述符，并阻塞所有信号 (可靠信号递达前位于内核队列中)
• 子任务处理结束后，通过 select 机制判断是否有信号需要处理
  • true => 处理信号? false => 等待超时

关键系统函数

#include <sys/select.h>

#include <sys/signalfd.h>

int signalfd(int fd, const sigset_t* mask, int flag);

int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

使用 signalfd() 处理信号

先屏蔽所有信号 (无法递达进程)，之后为屏蔽信号创建文件描述符；当时机成熟，通过 read() 系统调用读取未决信号 (主动接收信号)

使用 select() 监听文件描述符

使用 select() 处理信号

存在的问题

由于使用了 select 机制，即便没有信号需要处理，也需要等待 select 超时，任务实时性受到影响

异步解决方案 (多任务)

使用独立任务处理信号，程序逻辑在其他任务中执行

即：通过多线程分离信号处理与程序逻辑

• 主线程：专用于信号处理
• 其他线程：完成程序功能

多线程信号处理

信号的发送目标是进程，而不是某个特定的线程

发送给进程的信号仅递送给一个进程

内核从不会阻塞目标信号的线程中随机选择

每个线程拥有独立的信号屏蔽掩码

异步解决方案 (多任务)

主线程：对目标信号设置信号处理的方式

• 当信号递达进程时，只可能时主线程进行信号处理

其他线程：首先屏蔽所有可能的信号，之后执行任务代码

• 无法接收到信号，不具备信号处理能力

进程与线程

进程：应用程序的一次加载执行 (系统执行资源分配的基本单位)

线程：进程中的程序执行流

• 一个进程中可以存在多个线程 (至少存在一个线程)
• 每个线程执行不同的任务 (多个线程可并行执行)
• 同一个进程中的多个线程共享进程的系统资源

Linux 多线程 API 函数

头文件：#include<pthread.h>

线程创建函数：int pthread_create(pthread_t* thread, const pthread_attr_t* attr, void* (*start_routine)(void*), void* arg);

• thread：pthread_t 变量的地址，用于返回线程标识
• attr：线程的属性，可设置为 NULL，即：使用默认属性
• start_routine：线程入口函数
• arg：线程入口函数参数

线程标识：

• pthread_t pthread_self(void);
• 获取当前线程的 ID 标识

线程等待：

• int pthread_join(pthread_t thread, void** retval);
• 等待目标线程执行结束

多线程编程示例

异步方案示例 -- 主线程

异步方案示例 -- 任务线程

信号设计模式小结

多数模式不需要处理信号，因此可直接屏蔽信号

需要处理信号的程序，重点考虑信号安全性问题

• 同步处理方案，通过设计让任务代码和信号处理代码交替执行
  • 问题：信号处理是否及时？任务执行是否实时？
• 异步处理方案，任务代码与信号处理代码位于不同执行流
  • 问题：将信号安全性问题转换为线程安全性问题
  • 因此，程序本身是否能做到线程安全？