Linux信号的有关概念及使用

一、信号的基本概念

为了理解信号，先从我们最熟悉的场景说起，比如我们过马路时的交通信号灯，当我们看到红灯的时候，就会停下来等待，当我们看到绿灯的时候，会选择通行。这个红灯就是传给我们的信号。

对于Linux中的信号，我们需要先了解：

1、Ctrl-C产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行,这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令,启动新的进程。

2. Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程,只有前台进程才能接到像Ctrl-C这种控制键产生的信号。

3. 前台进程在运行过程中用户随时可能按下Ctrl-C而产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到SIGINT信号而终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步 (Asynchronous)的

我们先利用kill -l命令察看系统定义的信号列表:

我们可以观察到：每个信号都有一个编号和⼀一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到,例如其中有定义#define SIGINT 2 。

注：1至31号信号，是非实时信号，发送的信号可能会丢失，不支持信号排队。编号34以上的是实时信号,支持信号排队，发送的多个实时信号都会被接收，本章只讨论编号34以下的信号,不讨论实时信号。

二、信号的产生方式

1、通过终端按键产生的信号

我们知道，SIGINT（2号）的默认处理动作是终止进程，SIGQUIT（3号）的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。

我们首先了解一下Core Dump是什么？

当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump（核心转储）。

进程异常终止通常是因为有Bug,比如非法内存访问导致段错误,事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug（事后调试）。 

注意：系统默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K。

来看一下：

改变后：

我们写一个死循环，在前台运行这个程序：

 1 #include<stdio.h>
  2 
  3 int main(){
  4     printf("pid is : %d\n",getpid());
  5     while(1);
  6     return 0;
  7 }

运行，,然后在终端键入Ctrl-\:

由此可见，ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit,test进程的PCB由Shell进程复制而来,所以也具有和Shell进程相同的Resource Limit值,这样就可以产⽣生Core Dump了。 我们用调试一下，使用core文件，看哪里出错了：

2. 调用系统函数向进程发信号

我们首先在后台执行死循环程序：

 1 #include<stdio.h>
  2 
  3 int main(){
  4     while(1);
  5     return 0;
  6 }

然后用kill命令给它发SIGSEGV信号，如图：

注：6070是a.out进程的id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault ,是因为在6070进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令,Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起,所以等用户输入命令之后才显示。 

我们需要了解几个函数：

1、kill函数、raise函数

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)

这两个函数都是成功返回0,错误返回-1

2、abort函数

abort函数使当前进程接收信号而异常终止，所以总是成功，无返回值。

3. 由软件条件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产⽣的信号,我们首先认识一个函数alarm。

顾名思义，就是一个闹钟。

设定一个闹钟，告诉内核在senconds秒后给当前进程发14号SIGALRM信号，该信号的默认动作是终止当前进程。
参数设为0，表示取消闹钟
参数设为n，表示n秒后发送信号
函数返回值：是0或以前设定闹钟时间还余下的秒数

下面有一个例子，作用是2秒钟之内不停地数数,1秒钟到了就被SIGALRM信号终止，如下:

1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 
  4 int main(){
  5     int count=10;
  6     alarm(1);
  7     for(;1;count++){
  8         printf("count %d\n",count);
  9     }
 10     return 0;
 11 }
~                        

4、硬件产生信号

硬件异常产生信号,这些条件由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。

三、信号的处理方式

1.忽略。
2.执行默认动作。
3.提供一个信号处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉一个信号。

四、阻塞信号

1、信号的实质

我们先了解几个概念：

信号递达(Delivery)：实际执行信号的处理动作（第三点的三种方式）

信号未决(Pending)：信号从产生到递达之间的状态

阻塞 (Block )：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状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.

注意,阻塞和忽略是不同的,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。

产生信号的实质就是操作系统将信号位图的对应位置的比特位由0改为1，其实每个信号都有两个标志位，就是上文介绍的阻塞 (Block)、信号未决(Pending)，还有一个函数指针表示处理动作（handler）。结构如下图：

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。

从上图来看,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sigsett来存储 ,sigsett称为信号集。

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。


2、信号集操作函数

1）.sigemptyset函数：初始化set所指向的信号集，使其所有信号对于的bit清零
2）.sigfillset函数：初始化set所指向的信号集，使其所有信号对于的bit置1
3）.sigaddset函数：添加signum信号
4）.sigdelset函数：删除signum信号
5）.sigismember函数：判断signum信号是否在信号集中

前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。

3、sigprocmask函数----读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

参数：

how的可选值:

         SIG_BLOCK（添加到当前信号屏蔽字的信号）

         SIG_UNBLOCK（解除当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号）

         SIG_SETMASK（设置当前信号屏蔽字为set所指向的值）
set:更改进程当前信号屏蔽字
oldset:保存原有的信号屏蔽字

4、sigpending函数----读取当前进程的未决信号集

参数：

       set：读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出

返回值：调用成功则返回0,出错则返回-1。

我们举一个例子：

 1 #include<stdio.h>
  2 #include<signal.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 
  5 void printsigset(sigset_t *set){
  6     int i=0;
  7     for(;i<32;i++){
  8         if(sigismember(set,i)){
  9             putchar('1');
 10         }else{
 11             putchar('0');
 12         }
 13     }
 14     puts("");
 15 }
 16 
 17 int main(){
 18     sigset_t s,p;
 19     sigemptyset(&s);
 20     sigaddset(&s,SIGINT);
 21     sigprocmask(SIG_BLOCK,&s,NULL);
 22     while(1){
 23         sigpending(&p);

 24         printsigset(&p);
 25         sleep(1);
 26     }
 27     return 0;
 28 }

解释：

结果，我们阻塞了SIGINT信号，当键盘输如组合键Ctrl-C时，使得SIGINT信号处于未决状态，不被处理。

五、捕捉信号

1、捕捉信号的过程

捕捉信号，即信号处理的handler自定义方法

如下图，为信号捕捉的过程：

2、sigaction函数 ----读取和修改与指定信号相关联的处理动作

参数：act和oldact指向sigaction结构体

sigaction结构体如下:

2、pause函数--使调用进程挂起直到有信号递达

如果信号的处理动作为忽略，则进程处于挂起状态；如果处理动作为终止进程，则进程终止；如果处理动作为捕捉，则调用了信号处理函数后返回-1。

六、用alarm和pause实现sleep()函数

 1 #include<stdio.h>
  2 #include<signal.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 void sig_alrm(int signo){
  5      
  6 }
  7 unsigned int mysleep(unsigned int nsecs){
  8     struct sigaction new,old; 
  9     unsigned int unslept=0;
 10     new.sa_handler=sig_alrm;
 11     sigemptyset(&new.sa_mask);
 12     alarm(nsecs);
 13     pause();
 14     unslept=alarm(0);
 15     sigaction(SIGALRM,&old,NULL);
 16     return unslept;
 17 }   
 18 int main(){
 19     while(1){
 20         mysleep(5);
 21         printf("5 seconds passed\n");
 22     }   
 23     return 0;

24   }

解释：

结果：