使用 sigprocmask 和 sigpending 在程序正文中捕获和处理信号

最近在尝试使用 epoll 写一个类似 libevent 的库。那么，如何像 libevent 一样，在 event loop 里加入对信号事件的观测呢？
我查了一下资料，一个可行的方法，就是使用 sigprocmask() 及其相关功能来实现啦。

但是请注意，这个方法是存在缺陷的，请看官留心。
个人在继续研究之后，暂时是不打算使用此种方法来实现信号事件，而改用另一个方法。

Reference

《UNIX 环境高级编程》
sigprocmask , sigpending 和 sigsuspend函数
errno多线程安全
Linux 多线程应用中编写安全的信号处理函数

UNIX 系统主要信号

以下就只列出主要的信号了：

名称	说明	FreeBSD	Linux	macOS	Solaris	默认动作
SIGABRT	调用了abort()	Y	Y	Y	Y	终止 + core
SIGALRM	alarm()产生的	Y	Y	Y	Y	终止
SIGBUS	硬件故障	Y	Y	Y	Y	终止 + core
SIGCHLD	子进程状态改变	Y	Y	Y	Y	忽略
SIGHUP	连接断开	Y	Y	Y	Y	终止
SIGINT	Ctrl + C	Y	Y	Y	Y	终止
SIGKILL	终止；不可捕获	Y	Y	Y	Y	终止
SIGPIPE	向关闭的管道写	Y	Y	Y	Y	终止
SIGQUIT	Ctrl + \	Y	Y	Y	Y	终止 + core
SIGSEGV	段错误	Y	Y	Y	Y	终止 + core
SIGSTOP	停止	Y	Y	Y	Y	暂停进程
SIGTERM	kill(1)	Y	Y	Y	Y	终止
SIGUSR1	用户自定义1	Y	Y	Y	Y	终止
SIGUSR2	用户自定义2	Y	Y	Y	Y	终止
SIGPOLL	可轮训的设备发生事件	.	Y	.	Y	终止
SIGPWR	主电源失效，电池电量不足	.	Y	.	Y	终止或忽略

如果要在 C 里面发送一个信号的话，那么可以用 kill() 和 raise()。其中后者是想当前进程发信号，而前者可以向任意进程发信号。kill() 的 pid 参数可以有以下可能值：

• pid > 0：发给指定进程
• pid == 0：发给与当前进程属于同一进程组的所有进程，但需要权限允许
• pid < 0：发给进程组 ID 等于 (0 - pid) 的所有进程，但需要权限允许
• pid == -1：发给所有进程，但需要权限允许

信号集操作

    #include <signal.h>

    int sigemptyset(sigset_t *set);
    int sigfillset(sigset_t *set);
    int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
    int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
    int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

上面的几个函数语义都很清楚了，就是在一个集合里面配置多个信号。
除了 sigismenber() 实际上返回的是 BOOL 类型之外，其他的函数均返回 0 代表成功，-1 代表失败。

sigprocmask 和 sigpending

    #include <signal.h>

    int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
    int sigpending(sigset_t *set);

sigprocmask() 返回的是 0 或者 -1 的状态值，而 sigpending() 返回 BOOL 值
其中 how 可以有以下值：

• SIG_BLOCK：屏蔽信号（注意，不是“忽略”信号）
• SIG_UNBLOCK：解屏蔽
• SIG_SETMASK：将整个表配置设置进去。这适用于 sigprocmask() 恢复阶段。后续有说明

“屏蔽” 信号的含义

sigprocmask()的作用，主要就是屏蔽指定的信号。这个 “屏蔽” 的含义需要说明清楚。
首先我们大致数一下信号在内核里的处理流程吧（不是准确的流程，只是便于说明）：

1. 内核等待信号中断
2. 信号产生，触发内核中断
3. 内核将信号存下来，或者说设置信号标志
4. 内核根据用户空间的配置，处理信号。如果用户空间没有特别配置，则按照默认行为处理
5. 处理完成后，清除信号标志
6. 回到 1，继续等待

sigprocmask()所做的 “屏蔽”，其实就是将上述的信号处理流程，卡在了 3 和 4 之间，让内核能够将信号标志设置好，但是却到不了判断并处理的那一步。
换句话说，即便进程调用 signal() 函数，设置了 SIG_IGN 标志，但如果指定的信号被 sigprocmask() 屏蔽了的话，内核也不会去判断是否该忽略这个信号，而只是把信号标志卡在那儿，直到调用sigprocmask()执行SIG_UNBLOCK为止，才能让内核继续走到第 4 步。

在程序正文处理信号

这里所说的 “正文”，指的是：
　　不在 signal() 或 sigaction() 中指定的 handler 中处理信号事件，而是在普通的程序流程能够中捕捉信号，并且处理信号。

这么做有很多好处：

• 中断处理函数有很多限制，只能调用某些系统调用，否则可能导致上下文异常。但在正文中就不会有这个问题
• 中断处理函数和正文之间可以视为两个不同的线程，两者之间的同步比较麻烦
• 在正文中处理，可以实现类似于 libevent 中 EV_SIGNAL 功能——而这也是笔者正在研究的。

基本软件流程如下：

1. 使用 signal() 或 sigaction() 将需要捕获的信号设置为 SIG_IGN
2. 使用 sigprocmask() 屏蔽需要捕获的信号，同时注意将屏蔽之前的信号集保存下来（oset参数）
3. 进行相应操作（比如 epoll()）
4. 如果发现 errno 为 EINTR，那么就可以用 sigpending() 获取被屏蔽的信号集，判断需要捕获的信号是否在信号集中
5. 使用 sigprocmask() 执行一次 SIG_UNBLOCK 操作，让内核清除信号集标志
6. 回到 2，重新屏蔽信号

缺陷

不过这个流程有一个 bug，就是信号有可能在 4 和 6 之间产生，这样的话，就捕获不到了——这还需要想想怎么处理。

sigaction 函数

这里顺便记一下 sigaction() 吧，POSIX 是建议不要再使用 signal() 了。
简单情况下，只需要使用 struct sigcation 里的 sa_handler 和 sa_mask 就可以替代 signal() 调用了。

    #include <signal.h>

    struct sigaction {
        void     (*sa_handler)(int);
        void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
        sigset_t   sa_mask;
        int        sa_flags;
        void     (*sa_restorer)(void);
    };

    int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
                  struct sigaction *oldact);

errno 的线程安全问题

前文提及 “如果发现 errno 为 EINTR ...”。有同学可能会问了：“errno 是一个全局变量啊，这安全不？”
实际上，errno 是线程安全的……呃，这个优点，其实笔者自己也是才知道……看了一下 errno 的原理，觉得实在是很厉害啊！

但是，使用 errno 只有一点要注意，就是虽然在程序正文中，errno 是线程安全的，但是在中断处理函数中却并不是这样。其他位置的话，随意。

这里参考的资料是这个还有这个。