Linux进程信号

程序员文章站 2022-07-12 12:34:53

...

信号的基本概念

首先，我们可以用kill -l命令查看系统中定义的信号列表：
Linux进程信号

每个信号都有⼀个编号和⼀个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到,例如其中有定义#define SIGINT 2。编号34以上的是实时信号，34以下的信号是普通信号。而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，在命令行上输入man 7 signal：
Linux进程信号

产生信号的方式：

⽤户在终端按下某些键时,终端驱动程序会发送信号给前台进程,例如Ctrl-C产⽣SIGINT信号,Ctrl-\产⽣SIGQUIT信号,Ctrl-Z产⽣SIGTSTP信号(可使前台进程停⽌,这个信号将在后⾯课程详细解释)。
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。
⼀个进程调⽤kill(2)函数可以发送信号给另⼀个进程。可以⽤kill(1)命令发送信号给某个进程,kill(1)命令也是调⽤kill(2)函数实现的,如果不明确指定信号则发送SIGTERM信号,该信号的默认处理动作是终⽌进程。当内核检测到某种软件条件发⽣时也可以通过信号通知进程,例如闹钟超时产⽣SIGALRM信号,向读端已关闭的管道写数据时产⽣SIGPIPE信号。如果不想按默认动作处理信号,⽤户程序可以调⽤sigaction(2)函数告诉内核如何处理某种信号.
软件条件产⽣

进程收到信号后，常见的信号处理动作有以下三种:

忽略此信号。
执⾏行该信号的默认处理动作（终止该信号）。
提供⼀个信号处理函数（自定义动作）,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(Catch)一个信号。

前台进程与后台进程

//sig.c
#include <stdio.h>

int main(){
    while(1);
    return 0;
}

1.⼀个命令后⾯加个&可以放到后台运⾏，用命令查看时，发现后台进程STAT状态栏是R，所以有+表示前台进程，无+表示后台进程。
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2.Ctrl-C产生的信号只能发给前台进程，不能发给后台进程。
前台进程：
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后台进程：
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3.后台进程使Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令。而前台进程运行时占用SHELL，它运行的时候SHELL不能接受其他命令。
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4.Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程。
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5.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。后台进程不是任一进程都能做，要看实际情况。一般来说，如果某进程不需从键盘输入输出（交互少的）或者执行所需时间较长的话，就比较合适做后台进程。

产生信号

产生信号的方式在前面已经提到，简单来说可以归结为以下4点：

通过终端按键（组合键）产生信号
硬件异常产生的信号
调用系统函数向进程发信号
由软件条件产生信号

1.通过终端按键（组合键）产生信号:
Core Dump:

概念：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。也叫核心转储，帮助开发者进行调试，在程序崩溃时把内存数据dump到硬盘上，让gdb识别。
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一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的 Resource Limit(这个信息保存在PCB中)。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。

用ulimit -a命令查看系统中的软硬件资源限制
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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：ulimit -c 1024，允许core⽂件最大为1024K
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修改core文件默认大小之后，表示可以产生core文件，此时再发送ctrl+\信号，会产生core dump文件
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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）。
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2.调用系统函数向进程发信号:

kill：给某个进程发送某个信号
函数原型：

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
//成功返回0,错误返回-1。

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模拟实现kill：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>

void usage(const char* proc){
    printf("Usage: %s signo pid\n", proc);
}

int main(int argc, char* argv[]){
    if(argc != 3){
        usage(argv[0]);
        return 0;
    }
    int signo = atoi(argv[1]);
    int pid = atoi(argv[2]);
    kill(pid, signo);
    return 0;
}

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raise：给自己发送某个信号
函数原型：

#include <signal.h>
int raise(int signo);
//成功返回0,错误返回-1。

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

int main(){
    while(1){
        sleep(1);
        raise(3);
    }
    return 0;
}

执行1秒后：
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也就是该进程执行1秒后，遇到raise函数，发出3号信号，导致程序异常终止。

abort：给自己发送 SIGABRT 信号
函数原型：

#include <stdlib.h>
void abort(void);
//就像exit函数⼀样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。

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

int main(){
    while(1){
        sleep(1);
        abort();
    }
    return 0;
}

执行1秒后，遇到abort函数，发出 SIGABRT 信号，导致程序异常终止
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3.由软件条件产生信号:

闹钟信号：

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <signal.h>

void MyHandler(int sig, uint64_t count){
    (void) sig;
    printf("count = %lu\n", count);
    exit(0);
}

int main(){
    uint64_t count = 0;
    signal(SIGALRM, MyHandler);
    alarm(3);
    while(1){
        ++count;
    }
    return 0;
}

捕捉信号

Linux内核实现信号捕捉流程：
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特点：

整体执行顺序∞
信号处理函数与原有的main函数是两个不同的执行流
信号处理未执行完以前，原有的main函数一直挂起等待

有关捕捉信号的函数：
pause：

#include <unistd.h>
int pause(void);

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是终⽌进程，则进程终⽌，pause函数没有机会返回；如果信号的处理动作是忽略，则进程继续处于挂起状态，pause不返回；如果信号的处理动作是捕捉，则调⽤了信号处理函数之后pause返回-1，errno设置为EINTR，所以pause只有出错的返回值。

模拟实现sleep函数：

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

void MyHandler(int sig){
    (void) sig;
}

void MySleep(int second){
    //1.捕捉 SIGALRM 信号，并且要把原来的信号处理方法备份下来
    __sighandler_t old_handler = signal(SIGALRM, MyHandler);
    //2.通过 alarm 注册一个闹钟
    alarm(second);
    //3.需要借助一个函数来等待闹钟信号的到来
    //  在闹钟信号到来之前，挂起等待
    //  一旦闹钟信号来了，继续往后执行
    pause();
    //4.恢复 SIGALRM 的信号处理方式
    //  如果不恢复的话，就可能影响到其他信号
    signal(SIGALRM, old_handler);
    return;
}

int main(){
    printf("before sleep...\n");
    MySleep(3);
    printf("after sleep...\n");
    return 0;
}

阻塞信号

1.信号其他相关常⻅概念

实际执⾏信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
信号从产⽣到递达之间的状态，称为信号未决(Pending)。
进程可以选择阻塞(Block )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。

2.信号集操作函数

#include <signal.h>
//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); 
//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);  
//设置某一位   
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
//清除某一位  
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
//判断某一位    
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。

3.sigprocmask
功能：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，下表说明了how参数的可选值。
Linux进程信号

如果调⽤sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,⾄少将其中⼀个信号递达。

4.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。

利用以上函数，进行简单的测试：

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

void PrintSigset(sigset_t* set){
    int i = 1;
    for(; i < 32; ++i){
        if(sigismember(set, i)){   //判断指定信号是否在目标集合中
            printf("1");
        }
        else{
            printf("0");
        }
    }
    printf("\n");
}

void MyHandler(int sig){
    printf("sig = %d\n", sig);
}

int main(){
    //1.捕捉 SIGINT 信号
    signal(SIGINT, MyHandler);
    //2.把 SIGINT 信号屏蔽掉
    sigset_t set;
    sigset_t oset;
    //  清空初始化
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);
    //  设置阻塞信号集，阻塞SIGINT信号
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
    //3.循环读取未决信号集
    int count = 0;
    while(1){
        ++count;
        if(count >= 6){
            count = 0;
            //解除信号屏蔽字，再设置上
            printf("解除信号屏蔽字！\n");
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);
            sleep(1);
            printf("再次设置信号屏蔽字！\n");
            sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
        }
        sigset_t pending_set;
        //获取未决信号集
        sigpending(&pending_set);
        PrintSigset(&pending_set);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

实现的效果如下：
Linux进程信号

可重⼊函数

同一进程中的同一个函数被不同执行流调用称为重入。

判断依据：是否有逻辑问题
同一个函数在多个执行流中同时调用，没有逻辑问题，称为可重入。
同一个函数在多个执行流中同时调用，有逻辑问题，称为不可重入。

如果⼀个函数符合以下条件之⼀则是不可重⼊的:（仅供参考）

调⽤了malloc或free,因为malloc也是⽤全局链表来管理堆的。
调用了其他不可重入函数。
使用了非常量的全局变量/静态变量。
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。

注意：如果信号处理函数为不可重入函数，就可能出现逻辑问题，导致程序出现错误甚至崩溃。

如何编写可重入函数：
1、不能在函数内部使用静态或全局数据
2、不能返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供
3、使用本地数据、或通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据
4、如果必须访问全局变量，利用互斥机制来保护全局变量
5、不在可重入函数内部调用不可重入函数
6、不调用malloc和free函数
7、不调用标准I/O函数

volatile

作用：

每次从内存中取值，不从缓存中取值。保证了用volatile修饰的共享变量，每次的更新对于其他线程都是可见的。
volatile保证了其他线程的立即可见性，没有保证原子性。
由于有些时候对volatile的操作，不会被保存，说明不会造成阻塞。不可用于多线程下的计数器。

被volatile修饰的变量，编译器对操作该变量的代码不再进行优化，而是从对应的内存中读取。

竞态条件与sigsuspend函数

现在重新审视“mysleep”程序,设想这样的时序:

注册SIGALRM信号的处理函数。
调⽤alarm(nsecs)设定闹钟。
内核调度优先级更⾼的进程取代当前进程执⾏,并且优先级更⾼的进程有很多个,每个都要执⾏很⻓时间
nsecs秒钟之后闹钟超时了,内核发送SIGALRM信号给这个进程,处于未决状态。
优先级更⾼的进程执⾏完了,内核要调度回这个进程执⾏。SIGALRM信号递达,执⾏处理函数sig_alrm之后再次进⼊内核。
返回这个进程的主控制流程,alarm(nsecs)返回,调⽤pause()挂起等待。
可是SIGALRM信号已经处理完了,还等待什么呢?

出现这个问题的根本原因是系统运⾏的时序(Timing)并不像我们写程序时所设想的那样。虽然alarm(nsecs)紧接着的下⼀⾏就是pause(),但是⽆法保证pause()⼀定会在调⽤alarm(nsecs)之后的nsecs秒之内被调⽤。由于异步事件在任何时候都有可能发⽣(这⾥的异步事件指出现更⾼优先级的进程),如果我们写程序时考虑不周密,就可能由于时序问题⽽导致错误,这叫做竞态条件(Race Condition)。

“解除信号屏蔽”和“挂起等待信号”这两步合并成⼀个原⼦操作的函数:

#include <signal.h>
int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

和pause⼀样，sigsuspend没有成功返回值，只有执⾏了⼀个信号处理函数之后sigsuspend才返回，返回值为-1，errno设置为EINTR。调⽤sigsuspend时，进程的信号屏蔽字由sigmask参数指定，可以通过指定sigmask来临时解除对某个信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值，如果原来对该信号是屏蔽的，从sigsuspend返回后仍然是屏蔽的。

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

void MyHandler(int sig){
    (void) sig;
}

//这个版本的函数来解决竞态条件问题
void MySleep(int second){
    //1.捕捉 SIGALRM 信号，并且要把原来的信号处理方法备份下来
    __sighandler_t old_handler = signal(SIGALRM, MyHandler);

    //2.屏蔽闹钟信号
    sigset_t set, oset;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);

    //3.通过 alarm 注册一个闹钟
    alarm(second);

    //4.需要借助一个函数来等待闹钟信号的到来
    //  在闹钟信号到来之前，挂起等待
    //  一旦闹钟信号来了，继续往后执行
    //  此处不能使用 pause, 而要使用 sigsuspend 来进行替换
    //  sigsuspend 能够做到原子的进行解除屏蔽+等待
    sigset_t tmp_set = oset;
    //  此处我们基于oset备份了一份tmp_set
    //  但是 tmp_set 里面可能也包含了对 SIGALRM 的屏蔽
    sigdelset(&tmp_set, SIGALRM);
    sigsuspend(&tmp_set);

    //5.恢复 SIGALRM 的信号处理方式
    //  如果不恢复的话，就可能影响到其他信号
    signal(SIGALRM, old_handler);

    //6.恢复信号屏蔽字
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);
    return;
}

int main(){
    printf("before sleep...\n");
    MySleep(3);
    printf("after sleep...\n");
    return 0;
}

SIGCHLD信号

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。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void MyHandler(int sig){
    (void) sig;
    //int ret = wait(NULL);      //若用wait，会因wait数量不匹配而导致产生僵尸进程
    //printf("MyHandler:%d\n", ret);
    while(1){
        int ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
        if(ret > 0){
            printf("waitpid %d\n", ret);
            continue;
        }
        else if(ret == 0){
            //子进程还存在，没执行完，直接让信号处理函数返回
            //如果后续的子进程再结束，还会再次发送 SIGCHLD 信号
            break;
        }
        else{
            //子进程都结束
            break;
        }
    }
}

int main(){
    signal(SIGCHLD, MyHandler);
    int i = 0;
    for(; i < 20; ++i){
        pid_t ret = fork();
        if(ret < 0){
            perror("fork");
            return 1;
        }
        if(ret == 0){
            //child
            printf("child %d\n", getpid());
            sleep(3);
            exit(0);
        }
    }
    while(1){
        printf("father working\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

Linux进程信号

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