Linux的信號(hào)和線程-Tech Talk 讓技術(shù)發(fā)出聲音?www.ttalk.im

什么是線程

線程，有時(shí)被稱為輕量級(jí)進(jìn)程(Lightweight Process，LWP），是程序執(zhí)行流的最小單元。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID，當(dāng)前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成，每一個(gè)程序都至少有一個(gè)線程，若程序只有一個(gè)線程，那就是程序本身。

同時(shí)線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)兒在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。

一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤消另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性。因此線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指線程具備運(yùn)行的所有條件，邏輯上可以運(yùn)行，在等待處理機(jī)；運(yùn)行狀態(tài)是指線程占有處理機(jī)正在運(yùn)行；阻塞狀態(tài)是指線程在等待一個(gè)事件（如某個(gè)信號(hào)量），邏輯上不可執(zhí)行。

什么是信號(hào)

信號(hào)是一種IPC通信的形式，一般在Unix，類Unix或POSIX兼容的系統(tǒng)中使用。信號(hào)是一種異步通知進(jìn)程或同進(jìn)程中某個(gè)指定線程的方式。 當(dāng)信號(hào)被發(fā)送到進(jìn)程的時(shí)候，操作系統(tǒng)會(huì)中斷進(jìn)程的控制流程，并且在執(zhí)行非原子性的CPU指令時(shí)可以中斷進(jìn)程。

信號(hào)使用的風(fēng)險(xiǎn)（新手坑）

信號(hào)處理在存在競態(tài)的，因?yàn)樾盘?hào)本身是異步的，在處理一個(gè)信號(hào)的過程中，令一個(gè)信號(hào)（甚至肯能是同類型的信號(hào)）會(huì)被直接發(fā)送到進(jìn)程中請(qǐng)求進(jìn)程處理。 信號(hào)是可以打斷系統(tǒng)調(diào)用的，不謹(jǐn)慎處理會(huì)引起程序自身的混亂，所以進(jìn)程的信號(hào)處理過程，盡量做到?jīng)]有副作用，也不要使用不可重入的函數(shù)。

Linux的線程

LinuxThreads

在Linux的上古時(shí)代，Linux的線程技術(shù)和POSIX的標(biāo)準(zhǔn)是不同的，它使用自己的LinuxThreads庫。這會(huì)為我們帶來什么影響呢？

讓我們來回顧一下 LinuxThreads 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的一些基本理念：

系統(tǒng)必須能夠響應(yīng)終止信號(hào)并殺死整個(gè)進(jìn)程。

以堆棧形式使用的內(nèi)存回收必須在線程完成之后進(jìn)行。因此，線程無法自行完成這個(gè)過程。

終止線程必須進(jìn)行等待，這樣它們才不會(huì)進(jìn)入僵尸狀態(tài)。

線程本地?cái)?shù)據(jù)的回收需要對(duì)所有線程進(jìn)行遍歷；這必須由管理線程來進(jìn)行。

如果主線程需要調(diào)用 pthread_exit()，那么這個(gè)線程就無法結(jié)束。主線程要進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而管理線程的工作就是在所有線程都被殺死之后來喚醒這個(gè)主線程。

為了維護(hù)線程本地?cái)?shù)據(jù)和內(nèi)存，LinuxThreads使用了進(jìn)程地址空間的高位內(nèi)存（就在堆棧地址之下）。 同步元語是使用信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。例如，線程會(huì)一直阻塞，直到被信號(hào)喚醒為止。并且，LinuxThreads將每個(gè)線程都是作為一個(gè)具有惟一進(jìn)程ID的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的。LinuxThreads接收到終止信號(hào)之后，管理線程就會(huì)使用相同的信號(hào)殺死所有其他線程（進(jìn)程）。 由于異步信號(hào)是內(nèi)核以進(jìn)程為單位分發(fā)的，而LinuxThreads的每個(gè)線程對(duì)內(nèi)核來說都是一個(gè)進(jìn)程，且沒有實(shí)現(xiàn)“線程組”，因此，某些語義不符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，比如沒有實(shí)現(xiàn)向進(jìn)程中所有線程發(fā)送信號(hào)。如果核心不提供實(shí)時(shí)信號(hào)，LinuxThreads將使用SIGUSR1和SIGUSR2作為內(nèi)部使用的restart和cancel信號(hào)，這樣應(yīng)用程序就不能使用這兩個(gè)原本為用戶保留的信號(hào)了。在Linux kernel 2.1.60以后的版本都支持?jǐn)U展的實(shí)時(shí)信號(hào)（從_SIGRTMIN到_SIGRTMAX），因此不存在這個(gè)問題。根據(jù) LinuxThreads 的設(shè)計(jì)，如果一個(gè)異步信號(hào)被發(fā)送了，那么管理線程就會(huì)將這個(gè)信號(hào)發(fā)送給一個(gè)線程，如果這個(gè)線程現(xiàn)在阻塞了這個(gè)信號(hào)，那么這個(gè)信號(hào)也就會(huì)被掛起，因此某些信號(hào)的缺省動(dòng)作難以在現(xiàn)行體系上實(shí)現(xiàn)，比如SIGSTOP和SIGCONT，LinuxThreads只能將一個(gè)線程掛起，而無法掛起整個(gè)進(jìn)程。

LinuxThreads帶來了什么問題

首先我們說下POSIX是如何定義多線程的：POSIX下一個(gè)多線程的進(jìn)程只有一個(gè)PID。 根據(jù)上面我們對(duì)LinuxThreads的描述，我們可以總結(jié)出LinuxThreads有下面這些問題：

它使用管理線程來創(chuàng)建線程，并對(duì)每個(gè)進(jìn)程所擁有的所有線程進(jìn)行協(xié)調(diào)。這增加了創(chuàng)建和銷毀線程所需要的開銷。

由于它是圍繞一個(gè)管理線程來設(shè)計(jì)的，因此會(huì)導(dǎo)致很多的上下文切換的開銷，這可能會(huì)妨礙系統(tǒng)的可伸縮性和性能。

由于管理線程只能在一個(gè) CPU 上運(yùn)行，因此所執(zhí)行的同步操作在 SMP 或 NUMA 系統(tǒng)上可能會(huì)產(chǎn)生可伸縮性的問題。

由于線程的管理方式，以及每個(gè)線程都使用了一個(gè)不同的進(jìn)程 ID，因此 LinuxThreads 與其他與 POSIX 相關(guān)的線程庫并不兼容。

信號(hào)用來實(shí)現(xiàn)同步原語，這會(huì)影響操作的響應(yīng)時(shí)間。另外，將信號(hào)發(fā)送到主進(jìn)程的概念也并不存在。因此，這并不遵守 POSIX 中處理信號(hào)的方法。

我們?cè)谶@里不關(guān)注性能如何只關(guān)注POSIX兼容和信號(hào)處理問題。

NPTL

LinuxThreads的問題，特別是兼容性上的問題，嚴(yán)重阻礙了Linux上的跨平臺(tái)應(yīng)用（如Apache）采用多線程設(shè)計(jì)，從而使得Linux上的線程應(yīng)用一直保持在比較低的水平。在Linux社區(qū)中，已經(jīng)有很多人在為改進(jìn)線程性能而努力，其中既包括用戶級(jí)線程庫，也包括核心級(jí)和用戶級(jí)配合改進(jìn)的線程庫。目前最為人看好的有兩個(gè)項(xiàng)目，一個(gè)是RedHat公司牽頭研發(fā)的NPTL（Native Posix Thread Library），另一個(gè)則是IBM投資開發(fā)的NGPT（Next Generation Posix Threading），二者都是圍繞完全兼容POSIX 1003.1c，同時(shí)在核內(nèi)和核外做工作以而實(shí)現(xiàn)多對(duì)多線程模型。這兩種模型都在一定程度上彌補(bǔ)了LinuxThreads的缺點(diǎn)，且都是重起爐灶全新設(shè)計(jì)的。 NPTL的設(shè)計(jì)目標(biāo)歸納可歸納為以下幾點(diǎn)：

POSIX兼容性

SMP結(jié)構(gòu)的利用

低啟動(dòng)開銷

低鏈接開銷（即不使用線程的程序不應(yīng)當(dāng)受線程庫的影響）

與LinuxThreads應(yīng)用的二進(jìn)制兼容性

軟硬件的可擴(kuò)展能力

多體系結(jié)構(gòu)支持

NUMA支持

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，NPTL仍然采用1:1的線程模型，并配合glibc和最新的Linux Kernel2.5.x開發(fā)版在信號(hào)處理、線程同步、存儲(chǔ)管理等多方面進(jìn)行了優(yōu)化。和LinuxThreads不同，NPTL沒有使用管理線程，核心線程的管理直接放在核內(nèi)進(jìn)行，這也帶了性能的優(yōu)化。

Linux線程總結(jié)

比較新的Linux都已經(jīng)開始使用NPTL了，所以我們可以忽略LinuxThreads的存在了，介紹它主要是為了讓諸位讀者更深入的了解線程和信號(hào)的恩恩怨怨（不要丟雞蛋）。

Linux的信號(hào)

Linux是如何處理信號(hào)的

隨著Linux的內(nèi)核版本不斷提升，Linux的信號(hào)現(xiàn)在已經(jīng)可以按照線程級(jí)別的觸發(fā)了，換句話說就是，每個(gè)線程可以關(guān)注自己的信號(hào)了，并且可以區(qū)別性對(duì)待了。那我們需要注意什么呢？

在多線程應(yīng)用中，我們應(yīng)當(dāng)使用sigaction來代替singal函數(shù)，因?yàn)榘碢OSIX的說法singal函數(shù)并沒有明確定義自己在多線程應(yīng)用中的行為。

可以使用pthread_sigmask來為每個(gè)線程設(shè)置獨(dú)立的信號(hào)掩碼。同時(shí)在多線程應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)避免使用sigprocmask這個(gè)函數(shù)，原因也是POSIX中該函數(shù)并沒有明確定義自己在多線程應(yīng)用中的行為。

這個(gè)時(shí)候，有人會(huì)產(chǎn)生疑問了，那么多線程下kill發(fā)出的進(jìn)程級(jí)別的信號(hào)A怎么辦？Linux是這樣解決的，它會(huì)把這個(gè)信號(hào)交付給任意一個(gè)沒有屏蔽信號(hào)A的線程。如果這信號(hào)沒有被任何線程設(shè)置handler進(jìn)行處理，就會(huì)觸發(fā)POSIX規(guī)定的默認(rèn)動(dòng)作。

接著有人就會(huì)問，我怎么向某個(gè)線程發(fā)消息呢，POSIX為我們準(zhǔn)備了pthread_kill函數(shù)，我們可以直接向特定的線程發(fā)送消息。那么如果一個(gè)線程收到信號(hào)A，但是自己沒有安裝handler會(huì)發(fā)生什么？其實(shí)和進(jìn)程級(jí)別的信號(hào)處理方法一樣，直接觸發(fā)默認(rèn)動(dòng)作，同樣會(huì)結(jié)束整個(gè)進(jìn)程。

如何避免新手坑

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”。 如果不知道該怎么做，去看看著名的libev吧。

信號(hào)SIGSEGV

這個(gè)信號(hào)，也許是大家最不想見到，為什么呢？我們看這個(gè)信號(hào)的定義：

當(dāng)當(dāng)前程序?qū)?nèi)存的引用無效時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生當(dāng)前信號(hào)，也就是我們常說的“段違例”。

以下幾種情況會(huì)產(chǎn)生該信號(hào)：

1.進(jìn)程引用的內(nèi)存頁面不存在（例如，該頁面位于堆和棧之間的映射的區(qū)域） 2.進(jìn)程試圖更新只讀內(nèi)存頁（例如，程序文本段或已經(jīng)被標(biāo)記為只讀的內(nèi)存映射區(qū)域） 3.進(jìn)程試圖在用戶態(tài)去訪問內(nèi)核部分的內(nèi)存

好了，我們都知道這個(gè)信號(hào)引發(fā)的結(jié)果就是進(jìn)程退出。不過我們都忽視了一個(gè)問題，在現(xiàn)代的Linux上，按照POSIX的定義，這個(gè)信號(hào)是系統(tǒng)產(chǎn)生的線程級(jí)別的信號(hào)。換句話說，如果某個(gè)線程A出現(xiàn)了內(nèi)存引用無效，那么產(chǎn)生的信號(hào)，會(huì)投遞到線程A的信號(hào)隊(duì)列中，而不是像進(jìn)程級(jí)別的信號(hào)無法確定接受者是誰。

JVM的安全區(qū)域

如果我們想讓所有Java線程停下來的時(shí)候，在JVM的JavaThread執(zhí)行到大家所知道的test 特定頁面的指令時(shí)，就會(huì)因?yàn)楦虏豢勺x頁面而觸發(fā)SIGSEGV信號(hào)。那么對(duì)于那些正在執(zhí)行native代碼的JavaThread該怎么辦，JVM中的注釋寫的非常清楚，native返回JVM時(shí)會(huì)檢查是否能返回的。

好了再多說一句，JVM是如果將特定內(nèi)存保護(hù)起來的呢？這個(gè)需要看操作系統(tǒng)的API了，在Linux中是mprotect。

總結(jié)

多讀讀POSIX標(biāo)準(zhǔn)和Intel的CPU體系結(jié)構(gòu)，會(huì)讓自己在開發(fā)變的容易些。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux 信号_Linux的信号和线程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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