Linux信号

前言

大家好，我是jiantaoyab，本篇文章将给大家介绍信号，在认识信号之前，先看看什么是中断。

信号的概念

平时在Linux下运行程序，当我们想终止这个程序可以在键盘下按下[ctrl + c]就会终止程序，程序会停止是因为收到信号，所以信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。信号类似硬件中断，但没有优先级，内核平等的对待所有的信号。

查看有哪些信号

每个信号都有一个编号和宏定义的名称，这些宏定义可以在signal.h中找到。编号34号以上的信号是实时信号这些信号各自在什么条件下产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明，可以通过[man 7 signal] 查看

几个常用到的信号

产生信号的方式

1. 通过终端按键产生信号

   像开头提到的[ctrl + c]会产生2号信号终止进程，3号信号也是终止进程，不过可能会产生Core Dump文件，我们可以用Core Dump文件进行调试方便我们找出错误的原因，关于Core Dump后面我会出一篇文章介绍。

2. 通过系统函数向进程发信号，比如kill()、raise()、abort(),kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。

   abort函数使当前进程接收到信号而异常终止,就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值

   #include <signal.h>
   int kill(pid_t pid, int signo);
   int raise(int signo);
   这两个函数都是成功返回0,错误返回-1。
   #include <stdlib.h>
   void abort(void);
   

3. 由软件条件产生信号，在前面谈到进程间的通信当读段不读还关闭了fd，写端一直在写就会收到sigpipe信号或者设置定时器都是软件触发信号

   调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

   #include<unistd.h>
   unsigned int alarm(unsigned int seconds);
   //返回值是0或者是以前设定闹钟还余下的秒数
   

4. 硬件异常产生信号

   硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令,CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释 为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

信号深入理解

实际执行处理信号的动作叫信号的递达，递达有3种方式：

1.忽略 2.执行默认动作 3.我们可以对信号进行捕捉

信号从产生到递达之间的状态叫未决，进程可以选择阻塞某个信号，被阻塞的信号保持在未决的状态，直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作。

task_struct大致内容分布

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。OS会先看有没有给block如果没有就执行handler的函数，再设置pending表。如果给block了要等解除block才能执行handler。

如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，允许系统递送该信号一次或多次。常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。本章不讨论实时信号。

说了那么多，我们来写一个对信号铺抓的代码

signal()

void handler(int sig)
{
    printf("铺抓到信号：%d\n", sig);
}

int main()
{
    //注册对2号信号的处理动作，等到收到2号信号的时候才会调用这个函数。
    signal(2, handler); //signum可以用数字或者宏
    while(1) printf("等待一个信号\n");  
}

当程序运行起来在键盘下面按下[crtl + c]就会去执行handler方法。

信号集操作函数

sigset_t

每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号
的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有
效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。

信号集操作函数

上面的操作其实都是位操作，如果可以的话我们也能进行修改，但是操作系统不信任任何用户，我们想要修改值必须通过OS提供的接口来修改。

#include <signal.h>
//函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含任何有效信号
int sigemptyset(sigset_t *set);
//函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置位
//表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号
int sigfillset(sigset_t *set);
//增加
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
//删除
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

//这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数
//用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种 信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1

注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信。

sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
返回值:若成功则为0,若出错则为-1

如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。

如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask。

sigpending

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。

写段代码实验一下上面几个函数

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>

void printsigset(sigset_t *set)
{
    int i = 1;
    for(; i < 32; i++)
    {
        if(sigismember(set, i)) printf("1");//在集合中打印1
        else printf("0");
	}
    printf("\n");
}
int main()
{
    sigset_t s, p;
    sigemptyset(&s); //初始化
    sigaddset(&, SIGINT); //2号信号
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &s, NULL); //阻塞2号新号
    while(1)
    {
        sigpending(&p);
        printsigset(&p);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

深入理解捕捉信号

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,当收到信号的时候，会发生中断切换到内核态，内核态在返回用户态的时候会对信号进行处理，处理是执行捕捉函数，这里的捕捉函数和原来函数是2个独立的进程，所以执行完捕捉后重新回到内核态，如果没有新的信号递达就返回用户态回到刚刚函数的上下文中。

内核是调用sigaction()实现信号处理动作的

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。

signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。

当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。

如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。

sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设0,sa_sigaction是实时信号的处理函数

volatile

如果在编译的时候加上-O3进行优化，优化的时候把值写入cpu中的寄存器，下次读取的时候，直接就去cpu中读取了，volatile保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作，看到的都是最新的值。

SIGCHLD信号

可以用wait和waitpid函数清理僵尸进程,父进程可以阻塞等待子进程结束,也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。

采用第一种方式,父进程阻塞了就不能处理自己的工作了;采用第二种方式,父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一 下,程序实现复杂。其实,子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号,该信号的默认处理动作是忽略,父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数,这样父进程只需专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程终止时会通知父进程,父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。