1. 介绍
高级进程间通信（IPC）机制，特别是专注于高级信号技术，是现代操作系统的关键部分。本指南探讨了内核级别的信号处理、实时信号和队列管理的复杂实现。信号是一种基本的IPC机制，用于通知进程事件，如异常或用户定义的事件。高级信号通过引入实时信号、基于优先级的处理和增强的安全功能，扩展了这一概念。
2. 高级信号架构
高级信号系统的架构围绕几个核心组件构建。首先是信号队列管理，它涉及一个复杂的队列系统，用于高效地处理多个信号。该系统支持标准和实时信号，具有优先级处理和溢出保护。实时信号具有更高的优先级，并保证按特定顺序交付。
另一个关键组件是实时信号处理。该机制确保实时信号能够及时且延迟最小地传递。系统还支持扩展信息传递，允许信号携带额外的数据。这对于需要不仅仅是简单通知的应用程序特别有用。
最后，该系统包括跨进程同步机制。这些机制允许多个进程使用信号协调其操作。实现支持进程组和会话管理，使信号可以同时发送到多个进程。
3. 高级信号系统的简化实现
实现从定义rt_signal_queue结构开始，该结构用于管理实时信号队列。该结构包括一个用于同步的自旋锁、一个排队信号列表以及一个用于阻塞进程的等待队列。
#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/signal.h>#include <linux/sched.h>#include <linux/pid.h>#include <linux/spinlock.h>#include <linux/list.h>#include <linux/slab.h>#define MAX_RT_SIGQUEUE_SIZE 32#define SIGNAL_PAYLOAD_SIZE 128struct rt_signal_queue { spinlock_t lock; struct list_head queue; unsigned int count; unsigned int max_count; wait_queue_head_t wait;};struct signal_payload { int signo; pid_t sender_pid; uid_t sender_uid; void *data; size_t data_size; unsigned long timestamp;};struct advanced_signal { struct list_head list; struct signal_payload payload; int priority; bool is_realtime;};struct process_signal_context { struct rt_signal_queue rt_queue; struct task_struct *task; atomic_t pending_signals; spinlock_t context_lock; struct list_head handlers;};init_signal_context 函数初始化进程的信号上下文。它设置实时信号队列，初始化自旋锁，并准备信号处理程序列表。
static int init_signal_context(struct process_signal_context *ctx){ spin_lock_init(&ctx->rt_queue.lock); INIT_LIST_HEAD(&ctx->rt_queue.queue); init_waitqueue_head(&ctx->rt_queue.wait); ctx->rt_queue.count = 0; ctx->rt_queue.max_count = MAX_RT_SIGQUEUE_SIZE; spin_lock_init(&ctx->context_lock); INIT_LIST_HEAD(&ctx->handlers); atomic_set(&ctx->pending_signals, 0); return 0;}queue_rt_signal 函数将实时信号排队。它为信号分配内存，复制有效载荷，并将信号添加到队列中。如果队列已满，函数将返回错误。
static int queue_rt_signal(struct process_signal_context *ctx, struct signal_payload *payload, int priority){ struct advanced_signal *sig; unsigned long flags; sig = kmalloc(sizeof(*sig), GFP_ATOMIC); if (!sig) return -ENOMEM; memcpy(&sig->payload, payload, sizeof(*payload)); sig->priority = priority; sig->is_realtime = true; spin_lock_irqsave(&ctx->rt_queue.lock, flags); if (ctx->rt_queue.count >= ctx->rt_queue.max_count) { spin_unlock_irqrestore(&ctx->rt_queue.lock, flags); kfree(sig); return -EAGAIN; } list_add_tail(&sig->list, &ctx->rt_queue.queue); ctx->rt_queue.count++; atomic_inc(&ctx->pending_signals); spin_unlock_irqrestore(&ctx->rt_queue.lock, flags); wake_up(&ctx->rt_queue.wait); return 0;}4. 信号处理程序实现
signal_handler 结构定义了一个信号处理程序，包括一个指向处理程序的函数指针、信号编号和标志。register_signal_handler 函数为特定信号注册一个信号处理程序。
struct signal_handler { struct list_head list; void (*handler)(struct signal_payload *); int signo; unsigned long flags;};static int register_signal_handler(struct process_signal_context *ctx, int signo, void (*handler)(struct signal_payload *), unsigned long flags){ struct signal_handler *sh; unsigned long irqflags; sh = kmalloc(sizeof(*sh), GFP_KERNEL); if (!sh) return -ENOMEM; sh->handler = handler; sh->signo = signo; sh->flags = flags; spin_lock_irqsave(&ctx->context_lock, irqflags); list_add(&sh->list, &ctx->handlers); spin_unlock_irqrestore(&ctx->context_lock, irqflags); return 0;}process_signal_queue 函数处理信号队列。它遍历队列中的信号，并为每个信号调用相应的处理程序。
static void process_signal_queue(struct process_signal_context *ctx){ struct advanced_signal *sig, *tmp; struct signal_handler *handler; unsigned long flags; spin_lock_irqsave(&ctx->rt_queue.lock, flags); list_for_each_entry_safe(sig, tmp, &ctx->rt_queue.queue, list) { list_for_each_entry(handler, &ctx->handlers, list) { if (handler->signo == sig->payload.signo) { handler->handler(&sig->payload); list_del(&sig->list); ctx->rt_queue.count--; atomic_dec(&ctx->pending_signals); kfree(sig); break; } } } spin_unlock_irqrestore(&ctx->rt_queue.lock, flags);}5. 信号流架构
信号流架构通过序列图进行说明。该图展示了发送者、信号系统、队列、处理程序和接收者之间的交互。
6. 实时优先级管理
实时优先级管理系统确保高优先级信号在低优先级信号之前被处理。以下图表说明了基于优先级的信号处理流程。
7. 信号传递实现
signal_delivery_context 结构跟踪信号的传递。deliver_signal 函数将信号传递给目标进程。
struct signal_delivery_context { atomic_t delivery_count; struct timespec64 last_delivery; unsigned long flags;};static int deliver_signal(struct process_signal_context *ctx, struct signal_payload *payload){ struct signal_delivery_context *delivery_ctx; int ret; delivery_ctx = kmalloc(sizeof(*delivery_ctx), GFP_KERNEL); if (!delivery_ctx) return -ENOMEM; atomic_set(&delivery_ctx->delivery_count, 0); ktime_get_real_ts64(&delivery_ctx->last_delivery); ret = queue_rt_signal(ctx, payload, SIGRT_PRIORITY_DEFAULT); if (ret < 0) { kfree(delivery_ctx); return ret; } atomic_inc(&delivery_ctx->delivery_count); return 0;}8. 性能监控
signal_metrics 结构跟踪性能指标，例如发送和接收的信号数量、队列溢出和处理时间。
struct signal_metrics { atomic64_t signals_sent; atomic64_t signals_received; atomic64_t queue_overflows; atomic64_t processing_time_ns; struct { atomic_t count; atomic64_t total_latency; } priority_levels[MAX_RT_PRIORITY];};static struct signal_metrics metrics;static void update_signal_metrics(struct signal_payload *payload, unsigned long processing_time){ atomic64_inc(&metrics.signals_received); atomic64_add(processing_time, &metrics.processing_time_ns);}9. 安全实施
verify_signal_permissions 函数确保进程具有向另一个进程发送信号的必要权限。
static int verify_signal_permissions(struct task_struct *sender, struct task_struct *receiver, int signo){ const struct cred *cred = current_cred(); if (!capable(CAP_KILL) && !same_thread_group(sender, receiver) && !has_permission(sender, receiver, signo)) { return -EPERM; } return 0;}10. 结论
高级进程间通信（IPC）机制，特别是信号处理，需要仔细实现，以确保进程之间可靠、安全且高效的通信。提供的实现展示了构建适用于实时应用的健壮信号系统的实用方法。
