Linux中的信号

程序员文章站 2022-07-12 10:28:15

...

Linux中的信号

一、信号的概念

1.信号：信号是进程之间异步通知的一种方式，属于软中断。

2.用kill -l来查看系统定义的信号列表：
Linux中的信号

从图中可以看到每个信号都有一个编号和宏定义的名称，这些宏都可以在signal.h中找到
注意并不是一共有64个信号，自己仔细看，共有62种信号
31号信号之前都是不可靠信号，也是非实时信号
编号34以上的是实时信号，可靠信号，各种信号各自在什么条件下产生什么默认的动作都可以在signal（7）中查看
3.信号的处理方式：
忽略此信号
执行给信号的默认动作
提供一个信号处理函数，要求用户在处理该信号时切换到用户态去执行处理函数，即捕捉信号

Linux中的信号
二、信号的产生：

1.通过终端按键产生信号：ctrl + c —>2号信号、ctrl + z —>19号信号

2.硬件异常产生信号：硬件异常被硬件以某种方式检测到并通知给内核，然后内核向当前进程发送适当的信号。如当前进程执行处以0的指令，CPU的运算单元就会产生异常，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会产异常，内核将这个异常解释为SIGSEGV信号等。

3.调用系统函数向进程发送信号：如在后台执行死循环程序，然后用kill命令给它发送SIGSEGV信号。其中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一个指定的信号。还有raise函数可以给当前进程发送指定信号（自己给自己发送信号）

kill函数：

int kill(pid_t pid, int sig)

参数：pid：进程pid
sig：信号的编号
返回值：成功返回0，失败返回-1

abort函数：

void abort(void);

这个函数和exit函数一样，终会成功，没有返回值

4.有软件条件产生信号

如SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号

如：alarm函数会在设定的秒数结束后给当前进程发送SIGLRM信号，是用来终止当前进程的信号

三、信号的捕捉

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
signal(2, handler); //前文提到过，信号是可以被自定义捕捉的，siganl函数就是来进行信号捕捉的，
while(1);
return 0;
}

Linux中的信号
模拟野指针异常：

[aaa@qq.com code_test]$ cat sig.c
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
signal(SIGSEGV, handler);
sleep(1);
int *p = NULL;
*p = 100;
while(1);
return 0;
}

Linux中的信号
总结：

信号处理函数是一个独立的执行流，和原来的代码间没有调用关系，他是由内核直接调用的，在处理信号处理函数期间，原有的执行流就阻塞，等待信号处理函数执行结束，才继续执行原有执行流
上面所说的所有的信号产生，最终都由操作系统来执行，是因为操作系统是进程的管理者
信号函数的处理时间：是由操作系统决定，在合适的时候操作系统进行调用

四、阻塞信号：

进程可以选择阻塞某个信号
被阻塞的信号产生时将保持在未决信号集中，直到解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
注意阻塞的信号和忽略的信号是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

Linux中的信号

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。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。
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,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号（31号之前）在递达之前产生多次只计一次,而实时信号（34号之后）在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里
3.信号集的相关函数：
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。下一节将详细介绍信号集的各种操作。阻塞信号集也叫做当
前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略
#include <signal.h>

函数	解释
int sigemptyset(sigset_t *set);	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 sigfillset(sigset_t *set);	函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有号的对应bit位置为1,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);	将指定信号加入到信号集合中去
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);	将指定信号从信号集中删去
int sigismember（const sigset_t *set, int signo)	查询指定信号是否在信号集合之中

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号，前4个函数的返回值都是成功返回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

sigprocmask函数：

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)

Linux中的信号

sigpending函数：
#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

测试代码：

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

void Printsigset(sigset_t* set)
{
  int i = 0;
  for(;i < 32;i++)
  {
    if(sigismember(set,i))
    {
      putchar('1');
    }
    else
    {
      putchar('0');
    }
  }
  puts("");
}

int main()
{
  sigset_t s;
  sigset_t p;
  sigemptyset(&s);
  sigaddset(&s,SIGINT);
  sigprocmask(SIG_BLOCK,&s,NULL);
  while(1)
  {
    sigpending(&p);
    Printsigset(&p);
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

Linux中的信号

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

void handler(int sig)
{
  printf("catch a sig : %d\n",sig);
}

int main()
{
  signal(2,handler);
  signal(40,handler);

  sigset_t set,oldset;
  sigemptyset(&set);
  sigemptyset(&oldset);

  //把set位图置为全1
  sigfillset(&set);

 //设为阻塞
  sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
  
 //如果输入回车就继续执行，否则一直阻塞
  getchar();
 
 //设为非阻塞
  sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,NULL);

  return 0;
}

Linux中的信号

这里也更好的解释了阻塞集和非阻塞集的区别，也解释了可靠信号和不可靠信号的区别

五、再谈捕捉信号：

1.信号捕捉的流程：
Linux中的信号

在执行主控程序时，因为软件、硬件或系统调用等产生异常，操作系统想当前进程发送相关信号，从而导致当前进程进入内核状态
内核处理完异常准备回到用户态之前先处理当前进程可以递送的信号
如果信号的处理函数是自定义的信号处理函数，则还需要回到用户态执行信号处理函数（注意这里的回到用户态并不是回到主执行流，这里的信号处理函数和主执行流没有任何调用关系）
信号处理函数返回时执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态
最后从内核态返回到用户态，返回到从主控制流中上次被中断的地方继续执行，（注意⚠️并不是回到信号处理函数的结束，可以把这里的信号处理函数理解为C++中的智能指针）

2.内核如何实现信号的捕捉：

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,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了

sigaction函数

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
                     struct sigaction *oldact);

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。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用

六、可重入函数：
看一个例子：
main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步,刚做完第一步的时候,因为硬件中断使进程切换到内核,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于是切换到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2,插入操作的两步都做完之后从sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二步。结果是,main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点,而最后只有一个节点真正插入链表中了
像上例这样,insert函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称
为重入,insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为不可重入函数,反之,
如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数

再看一个例子：

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

int g_val = 0;

void handler(int sig)
{
  g_val++;
  printf("sig :%d\n",sig);
}

int main()
{
  signal(2,handler);
  int count = 100;
  while(count--)
  {
    g_val++;
    printf("count: %d\n",count);
    //sleep(100000);
    sleep(1);
  }
  printf("g_val: %d\n",g_val);
  return 0;
}

Linux中的信号
可以看到程序最后的打印结果并不是100，这样就更好的理解重入

总结：

重入：不同的执行流可以访问同样的资源（同样的代码）
可重入函数：不同的执行流可以访问同样的资源，不会对结果产生影响，如果不同的执行流调用了可重入函数，不会对结果产生影响，就叫可重入函数
不可重入函数：不同的执行流可以访问同样的资源，不会对结果产生影响，调用了可重入函数，会对结果产生影响，就叫不可重入函数

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

七：volatile

1.使变量保存内存的可见性，意味着，每次去访问这个变量的时候，都是从内存中重新去加载

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int flag = 0;
void handler(int sig)
{
printf("chage flag 0 to 1\n");
flag = 1;
}
int main()
{
signal(2, handler);
while(!flag);
printf("process quit normal\n");
return 0;
}

注意测试该代码是编译优化最好是O2选项
标准情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ， while 条件不满足,退出循环，进程退出

但是真正的结果是：
Linux中的信号
优化情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ，但是 while 条件依旧满足,进程继续运行！但是很明显flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显， while 循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。 while 检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要 volatile

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
volatile int flag = 0;
void handler(int sig)
{
printf("chage flag 0 to 1\n");
flag = 1;
}
int main()
{
signal(2, handler);
while(!flag);
printf("process quit normal\n");
return 0;
}

volatile 作用：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

八、SIGCHLD信号
进程一章说过用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。

请编写一个程序完成以下功能:父进程fork出子进程,子进程调用exit(2)终止,父进程自定义SIGCHLD信号的处理函数,在其中调用wait获得子进程的退出状态并打印。事实上,由于UNIX 的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证在其它UNIX系统上都可用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
pid_t id;
while( (id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0){
printf("wait child success: %d\n", id);
}
printf("child is quit! %d\n", getpid());
}
int main()
{
signal(SIGCHLD, handler);
pid_t cid;
if((cid = fork()) == 0){//child
printf("child : %d\n", getpid());
sleep(3);
exit(1);
}
while(1){
printf("father proc is doing some thing!\n");
sleep(1);
}
return 0;
}

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