07线程信号处理
专栏内容：
参天引擎内核架构
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。
开源贡献：
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。
/*
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*
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* This is licensed under Mulan PSL v2.
* You can use this software according to the terms and conditions of the Mulan PSL v2.
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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;
}
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
可以看到主线程和子线程收到这两个信号后，都没有反应，被阻塞了，而我们的信号集检测发现确实收到了这两个信号；
kill 命令是给进程发达了信号，该信号会给当前进程的所有线程都会发送相同信号，所以主线程和子线程都会收到。
总结
在目前线程信号实现的机制下，多线程的信号处理，信号处理会在单独的某个线程进行。比如进程退出时，也是由进程给每一个线程再发送退出信号，多线程的实现方法与此类似。
在具有事件循环的应用中，在信号的的 handler 中，可以将信号直接放入程序的队列中，立刻返回。这样直到线程从程序的队列中取出这个信号为止，整个线程看起来就像没有“中断”。
本文所涉及的代码已经上传到工程hatchCode, 在multipleThreads/example_07目录下；
结尾
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