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我们已经知道了 Go 运行时调度已 goroutine 的方式调度了所有用户态代码。 每个 goroutine 都有可能在不同的线程上重新被执行。那么如果用户态的某个 goroutine 需要接收系统信号，如何才能确保某个线程的信号能够正确的发送到可能在其他线程上执行的监听信号的 goroutine 呢？
本节我们讨论调度器里涉及的 signal 信号处理机制。
信号机制是 UNIX、类 UNIX 甚至其他 POSIX 兼容系统上规定的一种进程异步通信的限制形式。
用于提醒某个事件的发生状态。
信号被定义为整数，产生信号的条件包括用户使用某些按键组合（比如 Control + C）、硬件异常、
kill 信号等等。
这些信号通常有三种不同的处理方式：忽略、捕获或者执行系统的默认行为。
忽略处理无法处理 SIGKILL 和 SIGSTOP，
而捕获处理，则可用于在信号发生时，执行用户态的代码，对
这该信号事件进行处理。但 SIGKILL 和 SIGSTOP 也不能被捕获。
默认处理通常为停止进程。
早期的 UNIX 系统特性是，当某个进程执行一个长时间系统调用时发生阻塞，如果此时捕获到一个信号， 则系统调用便被中断且不再执行，并已失败返回。 因此系统调用也会被分为两类：低速系统调用和高速系统调用。低速系统调用可能使进程永远阻塞，例如 IO。
系统调用 sigaltstack 可以用于定义一个备用的信号栈来获取一个存在的额外信号栈的状态。
一个额外的信号栈会在信号处理执行中进行使用。
每个进程都包含一个信号屏蔽字（signal mask），规定了当前要阻塞递送到该进程的信号集。
对于每种可能的信号，屏蔽字中都有一位与之对应。
对于某种信号，若其对应位置已设置，则它当前是被阻塞的。
如果要检测和修改当前信号屏蔽字，则需要调用 sigprocmask
系统调用来进行。通过 _SIG_SETMASK 可以直接设置想要的屏蔽字，并获得原先的屏蔽字。
值得注意的是，信号会在所有线程中进行共享。换句话说， 尽管某个线程可以阻止某些信号，但当线程修改了某个信号相关的处理行为后，所有线程都必须共享这个行为带来的变化。 如果一个线程选择忽略某个信号，则其他线程可以恢复信号的默认处理行为，或者设置为信号设置一个新的 handler。 从而能够撤销线程的信号选择。进程中信号会被传递给单个线程， 如果信号与硬件故障或计时器超时有关，信号便会被发送到引起事件的线程中去，而其他的信号则被发送到任一个线程。
Linux 上的线程以独立进程进行实现，通过 clone 调用来共享资源，因此 Linux 上的信号 处理与类 Unix 系统略有不同，POSIX.1 线程模型会在异步信号发送到进程后，且没有阻塞屏蔽字时接受信号。 而 Linux 上每个线程作为独立进程执行，系统无法选择没有阻塞屏蔽字的线程，进而无法注意到这个信号。 所以 Linux 上也存在不可靠信号和可靠信号的概念，不可靠信号可能丢失，多次发送相同的信号只能收到一次，取值从 1 至 31； 可靠信号则可以进行排队，取值从 32 至 64。
这便是运行时信号处理的基本原理。
调度器：调度循环 中讨论过了 M 的生命周期，M 可以在两种情况下被创建：
-
程序运行之初的 M0，无需创建已经存在的系统线程，只需对其进行初始化即可。
schedinit --> mcommoninit --> mpreinit --> msigsave --> initSigmask --> mstart -
需要时创建的 M，某些特殊情况下一定会创建一个新的 M并进行初始化，而后创建系统线程：
startm 时没有空闲 m startTemplateThread 时 startTheWorldWithSema 时 p 如果没有 m main 时创建系统监控 oneNewExtraM 时 newm --> allocm --> mcommoninit --> mpreinit --> newm1 --> newosproc --> mstart
在 mpreinit 中，会为一个 M 创建 gsignal，是一个在 M 上用于处理信号的 goroutine
（因此，除了 g0 外，其实第一个创建的 g 应该是它，但是它并没有设置 goid，因此我们总能观察到
主 goroutine 的 goid 为 1）：
func mcommoninit(mp *m) {
(...)
// 初始化 gsignal，用于处理 m 上的信号。
mpreinit(mp)
// gsignal 的运行栈边界处理
if mp.gsignal != nil {
mp.gsignal.stackguard1 = mp.gsignal.stack.lo + _StackGuard
}
(...)
}
// 调用此方法来初始化一个新的 m (包含引导 m)
// 从一个父线程上进行调用（引导时为主线程），可以分配内存
func mpreinit(mp *m) {
mp.gsignal = malg(32 * 1024) // OS X 需要 >= 8K，此处创建处理 singnal 的 g
mp.gsignal.m = mp // 指定 gsignal 拥有的 m
}在调度器的初始化的阶段，initSigmask 目标旨在记录
主线程 M0 创建之初的屏蔽字 sigmask：
func schedinit() {
_g_ := getg()
(...)
mcommoninit(_g_.m)
(...)
msigsave(_g_.m)
initSigmask = _g_.m.sigmask
(...)
}其中 msigsave 通过 sigprocmask 这个系统调用将当前 m0 的屏蔽字保存到
mp.sigmask 上：
const _SIG_SETMASK = 3
// msigsave 将当前线程的信号屏蔽字保存到 mp.sigmask。
// 当一个非 Go 线程调用 Go 函数时，用于保留非 Go 信号屏蔽字。
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func msigsave(mp *m) {
sigprocmask(_SIG_SETMASK, nil, &mp.sigmask)
}sigprocmask 为系统调用，返回值通过 old 进行返回，其中 sigset 是 uint32 类型：
type sigset uint32
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func sigprocmask(how int32, new, old *sigset) {
rtsigprocmask(how, new, old, int32(unsafe.Sizeof(*new)))
}
//go:noescape
func rtsigprocmask(how int32, new, old *sigset, size int32)rtsigprocmask 在 Linux 上由汇编直接封装 rt_sigprocmask 调用 [DIENET, 2017a]：
TEXT runtime·rtsigprocmask(SB),NOSPLIT,$0-28
MOVL how+0(FP), DI
MOVQ new+8(FP), SI
MOVQ old+16(FP), DX
MOVL size+24(FP), R10
MOVL $SYS_rt_sigprocmask, AX
SYSCALL
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS 2(PC)
MOVL $0xf1, 0xf1 // crash
RET注意，rt_sigprocmask 只适用于单个线程的调用，多线程上的调用时未定义行为，
不过初始化阶段的此时还未创建其他线程，因此此调用时安全的。
在 Darwin 上则是通过 pthread_sigmask [DIENET, 2017b] 来完成：
//go:nosplit
//go:cgo_unsafe_args
func sigprocmask(how uint32, new *sigset, old *sigset) {
libcCall(unsafe.Pointer(funcPC(sigprocmask_trampoline)), unsafe.Pointer(&how))
}
func sigprocmask_trampoline()TEXT runtime·sigprocmask_trampoline(SB),NOSPLIT,$0
PUSHQ BP
MOVQ SP, BP
MOVQ 8(DI), SI // arg 2 new
MOVQ 16(DI), DX // arg 3 old
MOVL 0(DI), DI // arg 1 how
CALL libc_pthread_sigmask(SB)
TESTL AX, AX
JEQ 2(PC)
MOVL $0xf1, 0xf1 // crash
POPQ BP
RETmsigsave 执行完毕后，sigmask 最后保存到 initSigmask 这一全局变量中，
用于初始化新创建的 M 的信号屏蔽字：
// 用于新创建的 M 的信号掩码 signal mask 的值。
var initSigmask sigset
initSigmask = _g_.m.sigmask用于当新创建 M 时（newm），将 M 的 sigmask 进行设置。
在进入 mstart 后，调用链关系就变成了：
mstart --> mstart1 --> minit --> mstartm0 (仅当 m0 调用) --> schedule --> mexit --> sigblock --> unminit
mstart1 会调用 minit 进行初始化，这个函数是平台相关的：
// linux
func minit() {
minitSignals()
(...)
}
func minitSignals() {
minitSignalStack()
minitSignalMask()
}
// darwin
func minit() {
if GOARCH != "arm" && GOARCH != "arm64" {
minitSignalStack()
}
minitSignalMask()
}但无论是在 Linux 还是 Darwin 上，均会调用 minitSignalStack 和 minitSignalMask
（虽然 iOS 上并不会调用 minitSignalStack）。
M 在初始化过程中，会判定当前线程是否设置了备用信号栈，正常情况下一个新创建的 M 是没有备用信号栈的。
如果没有，则会将 m.gsignal 的执行栈设置为备用信号栈，用于处理产生的信号。
另一种情况是，当使用 cgo 时，非 Go 线程可能调用 Go 代码，
而这时用户态的 C 代码可能已经为非 Go 线程设置了信号栈，这时的替换必须小心。
因此如果 M 已经存在了备用信号栈，则会将现有的信号栈保存到 m.goSigStack 中。
type stackt struct {
ss_sp *byte
ss_flags int32
pad_cgo_0 [4]byte
ss_size uintptr
}// 如果没有为线程设置备用信号栈（正常情况），则将备用信号栈设置为 gsignal 栈。
// 如果为线程设置了备用信号栈（非 Go 线程设置备用信号栈然后调用 Go 函数的情况），
// 则将 gsignal 栈设置为备用信号栈。记录在 newSigstack 中做出的选择，
// 以便可以在 unminit 中撤消。
func minitSignalStack() {
_g_ := getg()
// 获取原有的信号栈
var st stackt
sigaltstack(nil, &st)
if st.ss_flags&_SS_DISABLE != 0 {
// 如果禁用了当前的信号栈
// 则将 gsignal 的执行栈设置为备用信号栈
signalstack(&_g_.m.gsignal.stack)
_g_.m.newSigstack = true
} else {
// 否则将 m 的 gsignal 栈设置为从 sigaltstack 返回的备用信号栈
setGsignalStack(&st, &_g_.m.goSigStack)
_g_.m.newSigstack = false
}
}
// 将 s 设置为备用信号栈，此方法仅在信号栈被禁用时调用
//go:nosplit
func signalstack(s *stack) {
st := stackt{ss_size: s.hi - s.lo}
setSignalstackSP(&st, s.lo)
sigaltstack(&st, nil)
}
//go:nosplit
func setSignalstackSP(s *stackt, sp uintptr) {
*(*uintptr)(unsafe.Pointer(&s.ss_sp)) = sp
}
// setGsignalStack 将当前 m 的 gsignal 栈设置为从 sigaltstack 系统调用返回的备用信号堆栈。
// 它将旧值保存在 *old 中以供 restoreGsignalStack 使用。
// 如果非 Go 代码设置了，则在处理信号时使用备用栈。
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func setGsignalStack(st *stackt, old *gsignalStack) {
g := getg()
if old != nil {
old.stack = g.m.gsignal.stack
old.stackguard0 = g.m.gsignal.stackguard0
old.stackguard1 = g.m.gsignal.stackguard1
old.stktopsp = g.m.gsignal.stktopsp
}
stsp := uintptr(unsafe.Pointer(st.ss_sp))
g.m.gsignal.stack.lo = stsp
g.m.gsignal.stack.hi = stsp + st.ss_size
g.m.gsignal.stackguard0 = stsp + _StackGuard
g.m.gsignal.stackguard1 = stsp + _StackGuard
}当设置好信号栈后，会开始对 M 设置信号的屏蔽字，通过 sigmask 来获得当前 M
的屏蔽字，而后通过遍历所有运行时信号表来对屏蔽字进行初始化：
func minitSignalMask() {
nmask := getg().m.sigmask
// 遍历整个信号表
for i := range sigtable {
// 判断某个信号是否为不可阻止的信号，
// 如果是不可阻止的信号，则删除对应的屏蔽字所在位
if !blockableSig(uint32(i)) {
sigdelset(&nmask, i)
}
}
// 重新设置屏蔽字
sigprocmask(_SIG_SETMASK, &nmask, nil)
}// 判断某个信号是否为不可阻止的信号
// 1. 当信号是非阻塞信号，则不可阻止
// 2. 当改程序为模块时，则可阻止
// 3. 当信号为 Kill 或 Throw 时，可阻止，否则不可阻止
func blockableSig(sig uint32) bool {
flags := sigtable[sig].flags
if flags&_SigUnblock != 0 {
return false
}
if isarchive || islibrary {
return true
}
return flags&(_SigKill|_SigThrow) == 0
}
func sigdelset(mask *sigset, i int) {
*mask &^= 1 << (uint32(i) - 1)
}type sigTabT struct {
flags int32
name string
}
// linux
var sigtable = [...]sigTabT{
/* 0 */ {0, "SIGNONE: no trap"},
/* 1 */ {_SigNotify + _SigKill, "SIGHUP: terminal line hangup"},
(...)
/* 63 */ {_SigNotify, "signal 63"},
/* 64 */ {_SigNotify, "signal 64"},
}
// darwin
var sigtable = [...]sigTabT{
/* 0 */ {0, "SIGNONE: no trap"},
/* 1 */ {_SigNotify + _SigKill, "SIGHUP: terminal line hangup"},
/* 2 */ {_SigNotify + _SigKill, "SIGINT: interrupt"},
(...)
/* 30 */ {_SigNotify, "SIGUSR1: user-defined signal 1"},
/* 31 */ {_SigNotify, "SIGUSR2: user-defined signal 2"},
}
// Values for the flags field of a sigTabT.
const (
_SigNotify = 1 << iota // let signal.Notify have signal, even if from kernel
_SigKill // if signal.Notify doesn't take it, exit quietly
_SigThrow // if signal.Notify doesn't take it, exit loudly
_SigPanic // if the signal is from the kernel, panic
_SigDefault // if the signal isn't explicitly requested, don't monitor it
_SigGoExit // cause all runtime procs to exit (only used on Plan 9).
_SigSetStack // add SA_ONSTACK to libc handler
_SigUnblock // always unblock; see blockableSig
_SigIgn // _SIG_DFL action is to ignore the signal
)万事俱备，只欠东风。信号处理相关的初始化已经完成，包括了信号的屏蔽字、信号栈等。
进入调度循环之前，在 M0 上，会调用 mstartm0，进而调用 initsig：
//go:yeswritebarrierrec
func mstartm0() {
(...)
initsig(false)
}从而初始化信号，针对每个信号进行单独处理：
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func initsig(preinit bool) {
if !preinit {
// 已经提前初始化过了，所以 signal handler 可以直接运行
signalsOK = true
}
// 库直接返回
if (isarchive || islibrary) && !preinit {
return
}
for i := uint32(0); i < _NSIG; i++ {
t := &sigtable[i]
if t.flags == 0 || t.flags&_SigDefault != 0 {
continue
}
// 此时不需要原子操作，因为此时没有其他运行的 goroutine
fwdSig[i] = getsig(i)
// 检查该信号是否需要设置 signal handler
if !sigInstallGoHandler(i) {
// 即使不设置 signal handler，在必要时设置 SA_ONSTACK
if fwdSig[i] != _SIG_DFL && fwdSig[i] != _SIG_IGN {
setsigstack(i)
} else if fwdSig[i] == _SIG_IGN {
sigInitIgnored(i)
}
continue
}
handlingSig[i] = 1
setsig(i, funcPC(sighandler))
}
}对于一个需要设置 sighandler 的信号，会通过 setsig 来设置信号对应的动作（action）：
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func setsig(i uint32, fn uintptr) {
var sa usigactiont
sa.sa_flags = _SA_SIGINFO | _SA_ONSTACK | _SA_RESTART
sa.sa_mask = ^uint32(0)
if fn == funcPC(sighandler) {
if iscgo {
fn = funcPC(cgoSigtramp)
} else {
fn = funcPC(sigtramp)
}
}
*(*uintptr)(unsafe.Pointer(&sa.__sigaction_u)) = fn
sigaction(i, &sa, nil)
}值得注意的是这里有一个特殊处理，当 fn 为 sighandler 时候，产生信号后的动作并非直接调用 sighandler，
而是被替换为了 sigtramp：
TEXT runtime·sigtramp(SB),NOSPLIT,$72
// 保存被调用方的 C 寄存器，因为调用方可能是一个 C signal handler
MOVQ BX, bx-8(SP)
MOVQ BP, bp-16(SP) // save in case GOEXPERIMENT=noframepointer is set
MOVQ R12, r12-24(SP)
MOVQ R13, r13-32(SP)
MOVQ R14, r14-40(SP)
MOVQ R15, r15-48(SP)
MOVQ DX, ctx-56(SP)
MOVQ SI, info-64(SP)
MOVQ DI, signum-72(SP)
MOVQ $runtime·sigtrampgo(SB), AX
CALL AX
MOVQ r15-48(SP), R15
MOVQ r14-40(SP), R14
MOVQ r13-32(SP), R13
MOVQ r12-24(SP), R12
MOVQ bp-16(SP), BP
MOVQ bx-8(SP), BX
RET进而调用 sigtrampgo。这样的处理方式是因为，sighandler 会将产生的信号交给对应的 g ，
此时还无法决定究竟谁来进行处理。因此，当信号发生时，而 sigtrampgo 会被调用：
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func sigtrampgo(sig uint32, info *siginfo, ctx unsafe.Pointer) {
if sigfwdgo(sig, info, ctx) {
return
}
g := getg()
if g == nil {
c := &sigctxt{info, ctx}
if sig == _SIGPROF {
sigprofNonGoPC(c.sigpc())
return
}
badsignal(uintptr(sig), c)
return
}
(...)
setg(g.m.gsignal)
(...)
c := &sigctxt{info, ctx}
(...)
sighandler(sig, info, ctx, g)
setg(g)
(...)
}而 sigfwdgo 用于约定该信号是否应该由 Go 进行处理，
如果不由 Go 进行处理则将其转发到 Go 代码之前设置的 handler 上（这是 cgo 的情况）。
我们暂时关注 Go 端的情况，代码会继续执行，将 g 设置为 gsignal，从而来到了 sighandler：
//go:nowritebarrierrec
func sighandler(sig uint32, info *siginfo, ctxt unsafe.Pointer, gp *g) {
_g_ := getg()
c := &sigctxt{info, ctxt}
// profile 时钟超时
if sig == _SIGPROF {
sigprof(c.sigpc(), c.sigsp(), c.siglr(), gp, _g_.m)
return
}
if sig == _SIGTRAP && testSigtrap != nil && testSigtrap(info, (*sigctxt)(noescape(unsafe.Pointer(c))), gp) {
return
}
flags := int32(_SigThrow)
if sig < uint32(len(sigtable)) {
flags = sigtable[sig].flags
}
if flags&_SigPanic != 0 && gp.throwsplit {
// 我们无法安全的 sigpanic 因为它可能造成栈的增长，因此忽略它
flags = (flags &^ _SigPanic) | _SigThrow
}
if isAbortPC(c.sigpc()) {
// 很多架构中，abort 函数会导致内存段错误，不将其作为 panic
flags = _SigThrow
}
if c.sigcode() != _SI_USER && flags&_SigPanic != 0 {
// 产生 panic 的信号
(...)
c.preparePanic(sig, gp)
return
}
// 对用户注册的信号进行转发
if c.sigcode() == _SI_USER || flags&_SigNotify != 0 {
if sigsend(sig) {
return
}
}
// 设置为可忽略的用户信号
if c.sigcode() == _SI_USER && signal_ignored(sig) {
return
}
// 处理 KILL 信号
if flags&_SigKill != 0 {
dieFromSignal(sig)
}
// 非 THROW，返回
if flags&_SigThrow == 0 {
return
}
// 后面是一些直接 panic 的情况
(...)
}sigsend 则将用户信号发送到信号队列 sig 中：
var sig struct {
note note
mask [(_NSIG + 31) / 32]uint32
wanted [(_NSIG + 31) / 32]uint32
ignored [(_NSIG + 31) / 32]uint32
recv [(_NSIG + 31) / 32]uint32
state uint32
delivering uint32
inuse bool
}
func sigsend(s uint32) bool {
bit := uint32(1) << uint(s&31)
if !sig.inuse || s >= uint32(32*len(sig.wanted)) {
return false
}
atomic.Xadd(&sig.delivering, 1)
// We are running in the signal handler; defer is not available.
if w := atomic.Load(&sig.wanted[s/32]); w&bit == 0 {
atomic.Xadd(&sig.delivering, -1)
return false
}
// Add signal to outgoing queue.
for {
mask := sig.mask[s/32]
if mask&bit != 0 {
atomic.Xadd(&sig.delivering, -1)
return true // signal already in queue
}
if atomic.Cas(&sig.mask[s/32], mask, mask|bit) {
break
}
}
// Notify receiver that queue has new bit.
Send:
for {
switch atomic.Load(&sig.state) {
default:
throw("sigsend: inconsistent state")
case sigIdle:
if atomic.Cas(&sig.state, sigIdle, sigSending) {
break Send
}
case sigSending:
// notification already pending
break Send
case sigReceiving:
if atomic.Cas(&sig.state, sigReceiving, sigIdle) {
notewakeup(&sig.note)
break Send
}
}
}
atomic.Xadd(&sig.delivering, -1)
return true
}用户信号的接收方是通过 os/signal 完成的，参见 标准库：os/signal。
上面讨论过了 Extra M 的存在，Extra M 是一个用于服务非 Go 线程（cgo 产生的线程）回调的 M（Windows 上也需要）。
//go:yeswritebarrierrec
func mstartm0() {
// 创建一个额外的 M 服务 non-Go 线程（cgo 调用中产生的线程）的回调，并且只创建一个
// windows 上也需要额外 M 来服务 syscall.NewCallback 产生的回调，见 issue #6751
if (iscgo || GOOS == "windows") && !cgoHasExtraM {
cgoHasExtraM = true
newextram()
}
initsig(false)
}
// newextram 分配一个 m 并将其放入 extra 列表中
// 它会被工作中的本地 m 调用，因此它能够做一些调用 schedlock 和 allocate 类似的事情。
func newextram() {
c := atomic.Xchg(&extraMWaiters, 0)
if c > 0 {
for i := uint32(0); i < c; i++ {
oneNewExtraM()
}
} else {
// 确保至少有一个额外的 M
mp := lockextra(true)
unlockextra(mp)
if mp == nil {
oneNewExtraM()
}
}
}// onNewExtraM 分配一个 m 并将其放入 extra list 中
func oneNewExtraM() {
mp := allocm(nil, nil)
gp := malg(4096)
gp.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum
gp.sched.sp = gp.stack.hi
gp.sched.sp -= 4 * sys.RegSize
gp.sched.lr = 0
gp.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(gp))
gp.syscallpc = gp.sched.pc
gp.syscallsp = gp.sched.sp
gp.stktopsp = gp.sched.sp
gp.gcscanvalid = true
gp.gcscandone = true
casgstatus(gp, _Gidle, _Gdead)
gp.m = mp
mp.curg = gp
mp.lockedInt++
mp.lockedg.set(gp)
gp.lockedm.set(mp)
gp.goid = int64(atomic.Xadd64(&sched.goidgen, 1))
(...)
// 给垃圾回收器使用
allgadd(gp)
atomic.Xadd(&sched.ngsys, +1)
// 将 m 添加到 extra m 链表中
mnext := lockextra(true)
mp.schedlink.set(mnext)
extraMCount++
unlockextra(mp)
}由于调度器的特殊性，以及 cgo 的支持，运行时信号处理相对而言还是较为复杂的，需要一套完整的机制来对各种情况进行处理。 当然，信号处理的功能远不止如此，利用此信号机制还可能实现抢占式调度，我们在 调度器: 协作与抢占 中再来讨论这一机制。
- [WIKI, 2019] Signal(Unix)
- [MAN7, 2017] sigaltstack - Linux man page
- [DIENET, 2017a] sigprocmask - Linux man page
- [DIENET, 2017b] pthread_sigmask - Linux man page
- [STEVENS et al., 1992] Stevens, W. Richard, and Stephen A. Rago. Advanced programming in the UNIX environment. Addison-Wesley, 2013.
Go under the hood | CC-BY-NC-ND 4.0 & MIT © changkun