Linux信号机制与令牌桶算法：高并发场景下的平滑限流实践

写Linux信号和令牌桶这个组合，其实是我多年前折腾一个高并发网关时落下的心结。当时RPS（每秒请求数）总是飙到阈值以上，业务方又要求不能粗暴拒绝，只能在流量入口做平滑限流。我第一个想到的就是经典的令牌桶算法，但怎么高效地触发“令牌补充”这个动作，却卡了很久——轮询太浪费CPU，sleep又控制不准节奏，最后绕了一圈回来，发现Linux的信号机制加上定时器才是最优解。

把这个思路彻底吃透之后，我对sigprocmask、sigpending、POSIX定时器这些原本“背过就忘”的概念，突然有了真正的手感。这篇文章就围绕“信号加令牌桶算法实例”这个项目，把信号集、信号屏蔽字、pending挂起态、多任务计时器怎么串起来，一整套讲清楚。写出来的代码可以改改直接用，后面附的问题排查记录，都是我实际踩过的坑。

1. 整体设计思路：为什么信号适合做令牌桶的控制核心

令牌桶算法的逻辑本身不复杂：桶里有令牌就放行一个请求，没令牌就拒绝或者排队，同时以固定速率往桶里补充令牌。难点从来不在算法本身，而在“什么时候补充”和“能不能不抢主流程的CPU”。

我当时试过三种方案。第一种是开一个独立线程，死循环while(1) + sleep(time)往桶里加token。这个方法能跑，但线程数量一多，调度抖动非常明显，尤其容器环境里时间片不稳定，限流曲线会很难看。第二种是每次请求到达时，用当前时间减去上次补充时间，算出应该补多少token，也就是懒更新。这种方式纯靠CPU算时间差，不用额外触发，精度尚可，但如果请求频率很低，桶里的token会闲置很久，突发流量一来容易打穿限流。

第三种就是本文要展开的：用定时器周期性触发SIGALRM信号，在信号处理函数里把令牌补上。这个方案有几个天然优势。信号是异步通知机制，内核在定时器到期时直接给进程发信号，不需要进程主动轮询，CPU几乎零开销。而且信号处理函数是打断式的，它可以在极端情况下立即执行，这比线程调度的响应时间更确定。再加上信号集和屏蔽字，我可以在临界区把信号暂时挡住，保证关键路径不被打断。

讲到这必须强调一个关键点：信号处理函数里面不能做任何非异步信号安全的操作。像malloc、printf、pthread_mutex_lock这类统统不能出现，否则轻则死锁，重则程序直接崩。那令牌桶的补充逻辑怎么放进handler里？我的做法是，信号处理函数只负责设置一个volatile sig_atomic_t标志位，真正的补充计算放到主循环里，在safe point再去执行。这样既享受了信号的即时通知，又避开了重入风险。

所以整体架构就很清晰了：主流程是处理请求的业务代码，里面用sigprocmask保护敏感区域；定时器负责周期性地发送信号；信号处理函数做一个最轻量的标记动作；真正的令牌追加逻辑在业务代码的非临界区执行。这套设计的核心思想是：信号负责“喊一嗓子”，活还是让主流程干。

2. 信号集、信号屏蔽字与pending状态：三个最容易被搞混的概念

很多人在学信号的时候，sigemptyset、sigaddset、sigprocmask、sigpending这几个函数背得滚瓜烂熟，但一到实战就不知道什么时候用哪个。归根结底，是对三个概念的关系没理顺：信号集是一张“名单”，信号屏蔽字是“临时黑名单”，pending是“被拦住但还没处理的信号”。

2.1 sigset_t到底保存了什么

sigset_t本质上是个位图，每一位对应一个信号编号。比如bit1对应SIGHUP，bit2对应SIGINT。POSIX标准规定不能用int直接操作它，必须用sigemptyset、sigfillset、sigaddset、sigdelset、sigismember这五个工具函数。

我用一个实际场景来解释：假设你要阻塞SIGINT和SIGTERM这两个信号，那么初始化代码就是这样：

c复制sigset_t set;
sigemptyset(&set);          // 先清空，确保没有历史垃圾数据
sigaddset(&set, SIGINT);   // 把SIGINT加入名单
sigaddset(&set, SIGTERM);  // 把SIGTERM加入名单

很多人会漏掉sigemptyset这一步，这是一个非常隐蔽的坑。如果set是个未初始化的局部变量，里面可能有随机数据，sigaddset结果就会不可预期。你设了SIGINT屏蔽，结果连SIGCHLD也被莫名屏蔽了，排查半天找不到原因，最后发现就是没清空位图。

2.2 sigprocmask：屏蔽字是进程级的行为约束

sigprocmask是操作信号屏蔽字的唯一标准接口，它在三个动作里任选一个：SIG_BLOCK把set里的信号加入屏蔽集合，SIG_UNBLOCK把set里的信号从屏蔽集合移除，SIG_SETMASK直接整体替换屏蔽集合。

我用得最多的是第一和第三种组合。看一段代码：

c复制sigset_t new_set, old_set;
sigemptyset(&new_set);
sigaddset(&new_set, SIGALRM);

// 把SIGALRM加入屏蔽字，同时保存旧状态
sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_set, &old_set);
// 这段代码运行时不会被SIGALRM打断
// 做你的临界区操作...
// 恢复之前的屏蔽状态
sigprocmask(SIG_SETMASK, &old