信号处理设计模式

2023-12-26 20:40:56

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?

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_52484093/article/details/135193956
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