面试题：C语言自定义Linux信号优先级及内核交互

Question

在Linux内核源码基础上，利用C语言自定义一种信号类型，并为其设定合理的优先级，要求阐述从信号的定义、注册，到优先级设定在用户空间和内核空间之间的交互机制，以及如何通过编程确保该自定义信号的优先级能正确应用于实际场景。

Answer 1

1. 信号定义与注册

在Linux内核中，信号是一种异步通知机制。自定义信号需要在内核空间和用户空间进行相关操作。

内核空间

1. 定义信号： 在内核源码中，信号相关定义位于include/linux/signal.h。要自定义信号，可以在该文件或其他合适的头文件中添加新信号定义。例如：

#define SIG_CUSTOM  (SIGRTMAX + 1)

这里使用实时信号范围（SIGRTMAX之后）来定义自定义信号，实时信号有编号范围且支持排队和优先级。

2. 注册信号处理函数： 在内核模块中，通过register_signal函数（假设存在类似功能函数，实际内核可能需按特定接口实现）注册信号处理函数。例如：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/signal.h>

void custom_signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) {
    // 信号处理逻辑
    printk(KERN_INFO "Received custom signal %d\n", signum);
}

static int __init custom_signal_init(void) {
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, 0, sizeof(sa));
    sa.sa_sigaction = custom_signal_handler;
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    if (register_signal(SIG_CUSTOM, &sa) < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to register custom signal\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static void __exit custom_signal_exit(void) {
    unregister_signal(SIG_CUSTOM);
}

module_init(custom_signal_init);
module_exit(custom_signal_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

用户空间

在用户空间，使用sigaction函数注册信号处理函数。例如：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void custom_signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("Received custom signal %d\n", signum);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, 0, sizeof(sa));
    sa.sa_sigaction = custom_signal_handler;
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    if (sigaction(SIG_CUSTOM, &sa, NULL) < 0) {
        perror("sigaction");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // 发送信号测试
    kill(getpid(), SIG_CUSTOM);
    sleep(1);
    return 0;
}

2. 优先级设定

实时信号的优先级由其编号决定，编号越小优先级越高。在定义SIG_CUSTOM时选择合适的编号，如SIGRTMAX + 1，就确定了它相对其他实时信号的优先级。

内核空间

在内核发送信号时，会根据信号编号确定优先级。例如，在send_sig_info函数（实际内核中信号发送相关函数）中，根据信号编号进行队列插入等操作，确保高优先级信号先处理。

用户空间

用户空间无法直接修改内核信号优先级机制，但可以通过发送和处理信号的逻辑来配合优先级应用。例如，在多线程程序中，将处理高优先级信号的线程设置为高优先级调度。

3. 确保优先级在实际场景正确应用

1. 信号发送与排队：内核确保按照优先级对实时信号进行排队，高优先级信号先进入队列。用户空间发送信号时，内核按优先级处理。
2. 调度策略：在多任务环境中，内核调度器配合信号优先级。例如，当一个进程接收到高优先级信号时，内核调度器可以将该进程的调度优先级提高，确保其能及时处理信号。
3. 测试与验证：编写测试程序，发送不同优先级的信号，观察信号处理顺序。例如，同时发送SIG_CUSTOM（假设优先级较高）和其他实时信号，验证SIG_CUSTOM是否先被处理。

通过以上步骤，从信号定义、注册到优先级设定及应用，实现自定义信号在实际场景中的正确使用。