Linux中线程和信号的关系分析

基本概念

在Linux中，线程和信号之间存在复杂但重要的交互关系。理解这种关系对于开发多线程应用程序至关重要。

线程与进程的信号继承

• 线程共享进程的信号处理程序：所有线程共享相同的信号处理函数(signal handlers)
• 线程有独立的信号掩码：每个线程可以使用pthread_sigmask()设置自己阻塞或接收哪些信号

信号递送机制

信号递送的三种方式

1. 同步信号：由线程自身触发(如SIGSEGV, SIGFPE)

   • 总是递送给产生信号的线程

2. 异步信号：由外部进程或内核发送(如SIGINT, SIGTERM)

   • 递送给任意一个不阻塞该信号的线程

3. 定向信号：使用pthread_kill()或tgkill()发送给特定线程

关键问题与解决方案

问题1：信号处理线程化

现象：在多线程程序中，异步信号可能被任意线程接收，导致不确定行为

解决方案：

// 在主线程设置信号处理程序
signal(SIGINT, handler);

// 在所有其他线程阻塞该信号
sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

问题2：信号安全函数

现象：信号处理程序中只能调用异步信号安全函数

解决方案： - 在信号处理程序中设置标志位 - 在主线程中检查并处理标志位 - 使用自管道技术(self-pipe trick)

// 示例：自管道技术
int pipefd[2];
pipe(pipefd);

void handler(int sig) {
    write(pipefd[1], "x", 1);
}

// 在主线程中监控pipefd[0]

问题3：线程取消与信号

现象：线程取消请求(PTHREAD_CANCEL)可能被信号中断

解决方案：

// 设置线程取消点为推迟取消
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);

// 执行关键代码段

// 恢复取消状态
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);
pthread_testcancel(); // 显式检查取消点

最佳实践

1. 专用信号处理线程：

   • 创建一个专门处理信号的线程
   • 其他所有线程阻塞所有信号

2. 使用signalfd：

   sigset_t mask;
   sigemptyset(&mask);
   sigaddset(&mask, SIGINT);
   sigaddset(&mask, SIGTERM);
   
   int sfd = signalfd(-1, &mask, 0);
   // 可以像普通文件描述符一样监控sfd
   

3. 避免混合信号与线程取消：

   • 在信号处理程序中不执行线程取消操作
   • 在取消处理程序中不依赖信号

4. 谨慎使用pthread_kill：

   • 确保目标线程能够处理发送的信号
   • 避免死锁情况

调试技巧

1. 使用strace -f跟踪多线程程序的信号
2. 检查/proc/[pid]/task/[tid]/status中的信号信息
3. 使用gdb的handle命令控制信号处理

理解Linux中线程和信号的交互关系可以帮助开发者编写更健壮的多线程应用程序，避免常见的并发问题和竞态条件。