python 进程间通信（一） -- 信号的基本使用

1. 引言

上一篇文章中，我们看到了如何通过 multiprocessing 来创建子进程。通过 multiprocessing 实现 python 多进程

接下来我们来详细了解一下多个进程之间如何进行通信和同步。

2. 进程间通信

我们曾经介绍过 UNIX 环境中多个进程如何相互通信。

主要包含：

信号
管道
FIFO
消息队列
信号量
共享内存
域套接字
socketpair

Python 作为跨平台的脚本语言，并没有实现上述所有进程间通信的方式，下面我们来一一介绍一下，本文我们主要来介绍信号机制。

3. 信号

UNIX 环境下，信号是一种非常有用且常用的机制，他实现了系统中断功能。对于大部分信号，系统已经做了相应的处理，但除了几个信号（SIGKILL 和 SIGSTOP 等信号）以外，系统允许我们通过信号响应函数对相应信号发生后的行为进行重新定义，这是通知响应模式中最常见的处理方式。在多进程环境中，通过向另一个进程发送预定的某个信号从而触发对于事件的响应，这是最为简单的一种进程间通信方式。 Python 也提供了信号处理的模块 — signal，虽然 Python 中的信号处理远没有 UNIX 环境中的强大。

4. UNIX 环境中的信号

我们曾经介绍过 UNIX 环境中的信号与处理方法。

4.0.1. POSIX.1-1990标准信号

POSIX.1-1990标准信号

信号	取值	默认动作	含义
SIGHUP	1	Term	终端的挂断或进程死亡
SIGINT	2	Term	来自键盘的中断信号
SIGQUIT	3	Core	来自键盘的离开信号
SIGILL	4	Core	非法指令
SIGABRT	6	Core	来自abort的异常信号
SIGFPE	8	Core	浮点例外
SIGKILL	9	Term	杀死
SIGSEGV	11	Core	段非法错误(内存引用无效)
SIGPIPE	13	Term	管道损坏：向一个没有读进程的管道写数据
SIGALRM	14	Term	来自alarm的计时器到时信号
SIGTERM	15	Term	终止
SIGUSR1	30,10,16	Term	用户自定义信号1
SIGUSR2	31,12,17	Term	用户自定义信号2
SIGCHLD	20,17,18	Ign	子进程停止或终止
SIGCONT	19,18,25	Cont	如果停止，继续执行
SIGSTOP	17,19,23	Stop	非来自终端的停止信号
SIGTSTP	18,20,24	Stop	来自终端的停止信号
SIGTTIN	21,21,26	Stop	后台进程读终端
SIGTTOU	22,22,27	Stop	后台进程写终端

4.0.2. SUSv2和POSIX.1-2001定义的信号

SUSv2和POSIX.1-2001定义的信号

信号	取值	默认动作	含义
SIGBUS	10,7,10	Core	总线错误（内存访问错误）
SIGPOLL		Term	Pollable事件发生(Sys V)，与SIGIO同义
SIGPROF	27,27,29	Term	统计分布图用计时器到时
SIGSYS	12,-,12	Core	非法系统调用(SVr4)
SIGTRAP	5	Core	跟踪/断点自陷
SIGURG	16,23,21	Ign	socket紧急信号(4.2BSD)
SIGVTALRM	26,26,28	Term	虚拟计时器到时(4.2BSD)
SIGXCPU	24,24,30	Core	超过CPU时限(4.2BSD)
SIGXFSZ	25,25,31	Core	超过文件长度限制(4.2BSD)

4.0.3. 其他常见的信号

其他常见的信号

信号	取值	默认动作	含义
SIGIOT	6	Core	IOT自陷，与SIGABRT同义
SIGEMT	7,-,7	Term	表示一个实现定义的硬件错误信号
SIGSTKFLT	-,16,-	Term	协处理器堆栈错误(不使用)
SIGIO	23,29,22	Term	描述符上可以进行I/O操作
SIGCLD	-,-,18	Ign	与SIGCHLD同义
SIGPWR	29,30,19	Term	电力故障(System V)
SIGINFO	29,-,-	Term	与SIGPWR同义
SIGLOST	-,-,-	Term	文件锁丢失
SIGWINCH	28,28,20	Ign	窗口大小改变(4.3BSD, Sun)
SIGUNUSED	-,31,-	Term	未使用信号(will be SIGSYS)

Python 中的信号处理与 UNIX 原生的信号处理基本上是一致的，所有的常量、枚举、方法均被包含在标准库 signal 包中。

5. 信号枚举

signal 包定义了各个信号名及其对应的整数，比如：

代码语言：javascript复制

import signal

print(signal.SIGABRT)
print(signal.SIGINT)

Python 中所用的信号名与值都和上面列表中 Linux 系统的值一致。

6. 预设信号处理函数 — signal

与 linux 原生信号机制一样，signal 方法是最核心的方法，他可以定义某个信号的响应方法，从而实现对信号中断的响应。

singnal.signal(signalnum, handler)

signalnum 是上述信号枚举中的一个，handler 则是我们需要定义的方法。

6.1. 默认 handler

与原生 linux 系统中一样，signal 包中同样提供了以下两个默认操作，可以作为 handler 参数传入 signal 方法：

signal.SIG_DFL — 将该信号的响应恢复为系统默认处理方法
signal.SIG_IGN — 忽略该信号

6.2. 示例

代码语言：javascript复制

import logging
import signal
import time

def sighandler(signum, frame):
    logging.info('signo: %s handled' % signum)
    exit(0)

if __name__ == '__main__':
    signal.signal(signal.SIGTERM, sighandler)
    signal.signal(signal.SIGINT, sighandler)
    logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s: %(message)s')
    while True:
        time.sleep(10)

执行程序，陷入了死循环，此时我们按下 CTRL C，打印出了：

^C2019-05-28 17:30:00,152 - INFO: signo: 2 handled

捕获并处理了 SIGINT 信号。

7. 阻塞等待信号

上面我们通过死循环 time.sleep 实现了进程的无限等待。熟悉 linux 编程的同学都知道，系统早已实现了这一功能，python 也同样提供了相应的封装：

pause() — 无限等待，直到信号到来
sigwait(sigset) — 暂停执行调用现成，直到信号集中指定的信号到来，返回信号编号
sigwaitinfo(sigset) — 暂停执行调用现成，直到信号集中指定的信号到来，返回信号信息对象
sigtimedwait(sigset, timeout) — 具有超时的 sigwaitinfo

sigwait 与 pause 最大的不同在于 sigwait 在被信号中断后，并不会运行 signal 方法预设的响应函数，而是会自动继续运行。

7.1. 示例

7.1.1. pause

我们通过 pause 来改进上面的例子。

代码语言：javascript复制

import logging
import signal

def sighandler(signum, frame):
    logging.info('signo: %s handled' % signum)
    exit(0)

if __name__ == '__main__':
    signal.signal(signal.SIGTERM, sighandler)
    signal.signal(signal.SIGINT, sighandler)
    logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s: %(message)s')
    sigset = {signal.SIGTERM, signal.SIGINT}
    res = signal.pause()
    logging.info('sigwait returned by %s' % res)

执行程序，陷入了等待，此时我们按下 CTRL C，打印出了：

^C2019-05-28 17:30:00,152 - INFO: signo: 2 handled

捕获并处理了 SIGINT 信号。

7.1.2. sigwait

我们再通过 sigwait 来实现。

代码语言：javascript复制

import logging
import signal

def sighandler(signum, frame):
    logging.info('signo: %s handled' % signum)
    exit(0)

if __name__ == '__main__':
    signal.signal(signal.SIGTERM, sighandler)
    signal.signal(signal.SIGINT, sighandler)
    logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s: %(message)s')
    sigset = {signal.SIGTERM, signal.SIGINT}
    res = signal.sigwait(sigset)
    logging.info('sigwait returned by %s' % res)

执行程序，陷入了等待，此时我们按下 CTRL C，打印出了：

^C2019-05-29 10:50:33,828 - INFO: sigwait returned by Signals.SIGINT

可以看到，程序并没有去执行我们预设的响应函数，而是直接返回了信号枚举，并继续执行。

7.2. 使用哪一个

那么，问题来了，到底我们应该使用 pause 还是 sigwait 呢？经典场景下，我们的守护进程完成初始化任务之后，设定好信号响应函数与信号屏蔽字，然后陷入死循环中的等待，一旦信号到来，就去执行默认响应函数，之后继续等待，这样的场景下，signal、pthread_sigmask、pause 的组合用起来是非常方便而得心应手的。但是，另一个场景下，如果进程需要等待某个信号的发生，一旦信号发生，进程才能继续向下运行，此时使用上述方法则有着一个明显的问题，那就是如果在 signal 调用后 pause 调用前，信号就已经发生，则程序去自动运行预设响应函数，此后，执行 pause 进入无限的等待中，显然不是我们想要的，python 没有 unix 环境用来解决这个问题的 sigsuspend 方法，sigwait 就成了唯一的选择。

8. 获取或更改信号屏蔽字 — pthread_sigmask

上面的例子我们看到，使用 signal、pause 的方法组合可以配合信号响应函数实现中断处理。但大部分信号都会中断 pause 的阻塞状态，而不仅仅是那些我们所关心的拥有响应函数的信号，有没有办法让我们的进程屏蔽掉那些我们不关心的信号，只让我们关心的那些信号来打破进程的阻塞呢？答案当然是肯定的，我们可以通过 pthread_sigmask 方法预设信号屏蔽，从而实现仅对我们关心的信号的等待和响应。

8.1. 方法与参数

pthread_sigmask(how, mask)

how 参数有以下三种选择：

SIG_BLOCK — 新增屏蔽信号集
SIG_UNBLOCK — 从屏蔽信号集中删除集合
SIG_SETMASK — 设置屏蔽字

mask 参数是信号枚举或数值的 set。返回修改前的阻塞信号集，因此，如果传入 how 参数为 SIG_BLOCK 或 SIG_UNBLOCK 同时 mask 参数为空，则该接口就变成了查询接口。

8.2. 示例

代码语言：javascript复制

import logging
import os
import signal

def sighandler(signum, frame):
    logging.info('signo: %s handled' % signum)

if __name__ == '__main__':
    signal.signal(signal.SIGUSR1, sighandler)
    signal.signal(signal.SIGUSR2, sighandler)
    logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s: %(message)s')
    logging.info('main proc started %s' % os.getpid())

    signal.pthread_sigmask(signal.SIG_UNBLOCK, {signal.SIGUSR1})
    signal.pthread_sigmask(signal.SIG_BLOCK, {signal.SIGUSR2})
    signal.pause()

执行打印出了：