os/signal - 信号

基本概念

信号是事件发生时对进程的通知机制。有时也称之为软件中断。信号与硬件中断的相似之处在于打断了程序执行的正常流程，大多数情况下，无法预测信号到达的精确时间。

因为一个具有合适权限的进程可以向另一个进程发送信号，这可以称为进程间的一种同步技术。当然，进程也可以向自身发送信号。然而，发往进程的诸多信号，通常都是源于内核。引发内核为进程产生信号的各类事件如下。

  • 硬件发生异常，即硬件检测到一个错误条件并通知内核，随即再由内核发送相应信号给相关进程。比如执行一条异常的机器语言指令（除 0，引用无法访问的内存区域）。
  • 用户键入了能够产生信号的终端特殊字符。如中断字符（通常是 Control-C）、暂停字符（通常是 Control-Z）。
  • 发生了软件事件。如调整了终端窗口大小，定时器到期等。

针对每个信号，都定义了一个唯一的（小）整数，从 1 开始顺序展开。系统会用相应常量表示。Linux 中，1-31 为标准信号；32-64 为实时信号（通过 kill -l 可以查看）。

信号达到后，进程视具体信号执行如下默认操作之一。

  • 忽略信号，也就是内核将信号丢弃，信号对进程不产生任何影响。
  • 终止（杀死）进程。
  • 产生 coredump 文件，同时进程终止。
  • 暂停（Stop）进程的执行。
  • 恢复进程执行。

当然，对于有些信号，程序是可以改变默认行为的，这也就是 os/signal 包的用途。

兼容性问题：信号的概念来自于 Unix-like 系统。Windows 下只支持 os.SIGINT 信号。

Go 对信号的处理

程序无法捕获信号 SIGKILL 和 SIGSTOP （终止和暂停进程），因此 os/signal 包对这两个信号无效。

Go 程序对信号的默认行为

Go 语言实现了自己的运行时，因此，对信号的默认处理方式和普通的 C 程序不太一样。

  • SIGBUS（总线错误）, SIGFPE（算术错误）和 SIGSEGV（段错误）称为同步信号，它们在程序执行错误时触发，而不是通过 os.Process.Kill 之类的触发。通常，Go 程序会将这类信号转为 run-time panic。
  • SIGHUP（挂起）, SIGINT（中断）或 SIGTERM（终止）默认会使得程序退出。
  • SIGQUIT, SIGILL, SIGTRAP, SIGABRT, SIGSTKFLT, SIGEMT 或 SIGSYS 默认会使得程序退出，同时生成 stack dump。
  • SIGTSTP, SIGTTIN 或 SIGTTOU，这是 shell 使用的，作业控制的信号，执行系统默认的行为。
  • SIGPROF（性能分析定时器，记录 CPU 时间，包括用户态和内核态）， Go 运行时使用该信号实现 runtime.CPUProfile。
  • 其他信号，Go 捕获了，但没有做任何处理。

信号可以被忽略或通过掩码阻塞（屏蔽字 mask）。忽略信号通过 signal.Ignore，没有导出 API 可以直接修改阻塞掩码，虽然 Go 内部有实现 sigprocmask 等。Go 中的信号被 runtime 控制，在使用时和 C 是不太一样的。

改变信号的默认行为

这就是 os/signal 包的功能。

Notify 改变信号处理，可以改变信号的默认行为；Ignore 可以忽略信号；Reset 重置信号为默认行为；Stop 则停止接收信号，但并没有重置为默认行为。

SIGPIPE

文档中对这个信号单独进行了说明。如果 Go 程序往一个 broken pipe 写数据，内核会产生一个 SIGPIPE 信号。

如果 Go 程序没有为 SIGPIPE 信号调用 Notify，对于标准输出或标准错误（文件描述符 1 或 2），该信号会使得程序退出；但其他文件描述符对该信号是啥也不做，当然 write 会返回错误 EPIPE。

如果 Go 程序为 SIGPIPE 调用了 Notify，不论什么文件描述符，SIGPIPE 信号都会传递给 Notify channel，当然 write 依然会返回 EPIPE。

也就是说，默认情况下，Go 的命令行程序跟传统的 Unix 命令行程序行为一致；但当往一个关闭的网络连接写数据时，传统 Unix 程序会 crash，但 Go 程序不会。

cgo 注意事项

如果非 Go 代码使用信号相关功能，需要仔细阅读掌握 os/signal 包中相关文档：Go programs that use cgo or SWIG 和 Non-Go programs that call Go code

signal 中 API 详解

Ignore 函数

func Ignore(sig ...os.Signal)

忽略一个、多个或全部（不提供任何信号）信号。如果程序接收到了被忽略的信号，则什么也不做。对一个信号，如果先调用 Notify，再调用 Ignore，Notify 的效果会被取消；如果先调用 Ignore，在调用 Notify，接着调用 Reset/Stop 的话，会回到 Ingore 的效果。注意，如果 Notify 作用于多个 chan，则 Stop 需要对每个 chan 都调用才能起到该作用。

Notify 函数

func Notify(c chan<- os.Signal, sig ...os.Signal)

类似于绑定信号处理程序。将输入信号转发到 chan c。如果没有列出要传递的信号，会将所有输入信号传递到 c；否则只传递列出的输入信号。

channel c 缓存如何决定？因为 signal 包不会为了向 c 发送信息而阻塞（就是说如果发送时 c 阻塞了，signal 包会直接放弃）：调用者应该保证 c 有足够的缓存空间可以跟上期望的信号频率。对使用单一信号用于通知的 channel，缓存为 1 就足够了。

相关源码：

  1. // src/os/signal/signal.go process 函数
  2. for c, h := range handlers.m {
  3.     if h.want(n) {
  4.         // send but do not block for it
  5.         select {
  6.         case c <- sig:
  7.         default:    // 保证不会阻塞，直接丢弃
  8.         }
  9.     }
  10. }

可以使用同一 channel 多次调用 Notify：每一次都会扩展该 channel 接收的信号集。唯一从信号集去除信号的方法是调用 Stop。可以使用同一信号和不同 channel 多次调用 Notify：每一个 channel 都会独立接收到该信号的一个拷贝。

Stop 函数

func Stop(c chan<- os.Signal)

让 signal 包停止向 c 转发信号。它会取消之前使用 c 调用的所有 Notify 的效果。当 Stop 返回后，会保证 c 不再接收到任何信号。

Reset 函数

func Reset(sig ...os.Signal)

取消之前使用 Notify 对信号产生的效果；如果没有参数，则所有信号处理都被重置。

使用示例

注：syscall 包中定义了所有的信号常量

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "os"
  6.     "os/signal"
  7.     "syscall"
  8. )
  10. var firstSigusr1 = true
  12. func main() {
  13.     // 忽略 Control-C (SIGINT)
  14.     // os.Interrupt 和 syscall.SIGINT 是同义词
  15.     signal.Ignore(os.Interrupt)
  17.     c1 := make(chan os.Signal, 2)
  18.     // Notify SIGHUP
  19.     signal.Notify(c1, syscall.SIGHUP)
  20.     // Notify SIGUSR1
  21.     signal.Notify(c1, syscall.SIGUSR1)
  22.     go func() {
  23.         for {
  24.             switch <-c1 {
  25.             case syscall.SIGHUP:
  26.                 fmt.Println("sighup, reset sighup")
  27.                 signal.Reset(syscall.SIGHUP)
  28.             case syscall.SIGUSR1:
  29.                 if firstSigusr1 {
  30.                     fmt.Println("first usr1, notify interrupt which had ignore!")
  31.                     c2 := make(chan os.Signal, 1)
  32.                     // Notify Interrupt
  33.                     signal.Notify(c2, os.Interrupt)
  34.                     go handlerInterrupt(c2)
  35.                 }
  36.             }
  37.         }
  38.     }()
  40.     select {}
  41. }
  43. func handlerInterrupt(c <-chan os.Signal) {
  44.     for {
  45.         switch <-c {
  46.         case os.Interrupt:
  47.             fmt.Println("signal interrupt")
  48.         }
  49.     }
  50. }

编译后运行，先后给该进程发送如下信号：SIGINT、SIGUSR1、SIGINT、SIGHUP、SIGHUP，看输出是不是和你预期的一样。

关于信号的额外说明

  1. 查看 Go 中 Linux/amd64 信号的实现，发现大量使用的是 rt 相关系统调用，这是支持实时信号处理的 API。
  2. C 语言中信号处理涉及到可重入函数和异步信号安全函数问题；Go 中不存在此问题。
  3. Unix 和信号处理相关的很多系统调用，Go 都隐藏起来了，Go 中对信号的处理，signal 包中的函数基本就能搞定。

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