面试题：C语言Linux信号优先级与多线程编程

Question

假设在一个多线程的C语言程序运行于Linux系统上，不同线程分别注册了不同优先级的信号处理函数，当一个高优先级信号和一个低优先级信号同时到达时，从信号处理机制和线程调度的角度分析，程序会如何响应，如何确保高优先级信号的处理不会被低优先级信号处理所干扰。

Answer 1

信号处理机制分析

1. 信号到达时的处理：在Linux系统中，信号是异步事件，当信号到达时，内核会为接收信号的进程设置一个信号掩码，并检查进程是否正在阻塞该信号。如果进程没有阻塞信号，内核就会调用相应的信号处理函数。
2. 信号优先级：Linux内核并没有直接支持信号的绝对优先级概念。然而，可以通过设置信号处理函数的SA_SIGINFO标志，使用sigaction函数注册信号处理函数，然后通过实时信号（RT信号，范围为34 - 64）来模拟优先级。实时信号在排队和处理上与常规信号不同，实时信号可以排队，相同的实时信号会按照发送顺序依次处理，而常规信号不会排队，相同的常规信号多次发送只会被处理一次。

线程调度角度分析

1. 线程与信号：在多线程程序中，信号通常会被发送到整个进程，而不是特定线程。但是，线程可以通过pthread_sigmask函数阻塞或解除阻塞信号，并且可以使用pthread_kill函数向特定线程发送信号。
2. 调度干扰：当多个信号同时到达时，由于线程共享进程的信号处理上下文，如果没有正确处理，低优先级信号处理函数可能会干扰高优先级信号处理函数的执行。例如，低优先级信号处理函数可能会占用CPU时间，导致高优先级信号处理函数不能及时执行。

确保高优先级信号处理不被干扰的方法

1. 信号掩码与阻塞：
   • 在高优先级信号处理函数执行期间，使用pthread_sigmask函数阻塞低优先级信号。例如，在高优先级信号处理函数开始时，将低优先级信号添加到线程的信号掩码中，在处理函数结束时，再将其从信号掩码中移除。

   sigset_t low_priority_mask;
   sigemptyset(&low_priority_mask);
   sigaddset(&low_priority_mask, LOW_PRIORITY_SIGNAL);
   pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &low_priority_mask, NULL);
   // 高优先级信号处理代码
   pthread_sigmask(SIG_UNBLOCK, &low_priority_mask, NULL);
   

2. 实时信号的使用：
   • 为高优先级信号选择较高编号的实时信号（如64号），为低优先级信号选择较低编号的实时信号（如34号）。实时信号会按照发送顺序依次处理，这样可以确保高优先级信号先被处理。
   • 使用sigaction函数注册实时信号的处理函数，并设置SA_SIGINFO标志，以便能够获取信号的详细信息。

   struct sigaction sa_high;
   sa_high.sa_sigaction = high_priority_handler;
   sa_high.sa_flags = SA_SIGINFO;
   sigemptyset(&sa_high.sa_mask);
   sigaction(HIGH_PRIORITY_RT_SIGNAL, &sa_high, NULL);
   

3. 线程优先级调度：
   • 可以使用POSIX线程调度函数（如pthread_setschedparam）为处理高优先级信号的线程设置更高的调度优先级。这样，在CPU资源竞争时，高优先级信号处理线程更有可能优先执行。

   struct sched_param param;
   param.sched_priority = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO);
   pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &param);