信号

信号的基本理解

• 什么是信号
  提到信号，大部分人的第一反应都是红绿灯，没错，这是日常生活中的一种信号，它给了人们提示，当各种颜色的灯亮起时我们应该做什么样的处理动作。不过我们今天说的信号时Linux下的信号（signal），我们回想一种场景，当我们在Linux下打开一个终端，假设现在正有一个进程在运行，它的工作就是不断循环输出“hello”，此时，当我们按下Ctrl-c时，这个进程就会被终止掉。在此，我们就可以认为Ctrl-c就是一种信号,当我们按下Ctrl-C时，就是向操作系统发出了一个信号，而对于该信号的处理动作就是终止掉当前进程。
  总结：
  ·信号一定是与特定行为紧密相关的
  ·信号是一种通知机制，告诉进程即将发生的事情
  ·信号的产生是随机的—异步产生
  附：Linux下的信号（输入kill -l命令就可以看到）
  
  注意：这里的信号只有62个，32、33时没有的。其中1-31号信号为普通信号，34-64为实时信号。

• 普通信号
  1、普通信号在计算机中的存储：
  这里的普通信号只有31个，很明显，我们用一种数据结构就可以对其进行表示—位图，因此，计算机采用了4字节的空间来存储普通信号，其中bit位的下表对应信号的编号。（bit位的内容我们在讲“阻塞信号”时再提出）
  2、操作系统给一个进程发送信号的本质：
  每个进程的PCB模块里都有一个关于信号的字段，操作系统在给一个目标进程发送信号时就是修改了目标进程PCB中的信号字段的内容。（具体是修改了什么，也是在讲“阻塞信号”时给出）

产生信号

以下任意一个条件都可以产生信号：
1、使用组合键：
当用户在终端模式下，使用一些组合键会使终端驱动程序给前台进程发送信号。比如上文提到的Ctrl+c，它会产生SIGINT信号，Ctrl+\会产生SIGQUIT信号，Ctrl+z会产生SIGTSTP信号，这些进程都会使前台进程停止。注意，这里只是针对前台进程。
假设我们现在有一个mykill进程，让其先在前台运行，按下Ctrl+c后观察：

现在我们再将其切为后台运行的程序：

2、硬件异常产生信号：
当我们在写程序的过程中，如果代码中有除0错误，或者写入野指针，指针越界等情况，都会产生信号使当前进程终止。这些情况由硬件检测到，然后通知内核，内核会向当前进程发送信号。
例如：我们给一段程序中写入这两行代码：

int m=10;
int a=m/0;

就会产生如下情况：

这是因为一旦程序中出现了除0错误，CPU运算单元会产生异常，内核将这个异常解释为SIGFPE信号发给当前进程。
相应的，如果一旦检测出当前进程访问了非法地址，MMU就会产生异常，内核会将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给当前进程。

3、由软件条件产生：
使用alarm函数，当闹钟时间到的时候，内核会产生一个SIGALRM信号给当前进程，默认动作是是当前进程终止；或者向一个读端已经关闭的管道内写数据时，就会产生SIGPIPE的信号。

4、使用系统调用kill产生信号：
kill命令可以给任意一个进程发送信号，而kill也是由kill函数实现的。
如果不明确指定信号，则可以发送SIGTERM信号，该信号的默认处理动作是终止进程。

• 信号的处理
  信号的处理包括三种方法：
  1、忽略该信号；
  2、对信号执行其默认的处理动作，例如SIGINT信号的默认处理动作就是终止进程；
  3、对信号执行自定义动作，即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。

阻塞信号

• 关于阻塞信号的几个基本概念：
  信号递达：实际正在对信号进行的处理动作（即上文中提到的三种方式）。
  信号未决：从信号产生到信号递达之间的状态。
  进程可以选择阻塞某个信号，被阻塞的信号在产生时处于未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞时，才有可能被递达。

• 信号在内核中的表示：
  每个进程的PCB中都存有一个关于信号的字段，当操作系统向该进程发信号时就是修改这些字段的内容。上文提到了，信号在操作系统中是以位图的方式存储的，其实在PCB中有三张表来分别表示信号的状态及处理，即block表，pending表以及handler表：
  block表：4字节位图表示，描述信号的阻塞状态，其下标表示信号编号，内容表示信号是否被阻塞，0表示没有阻塞，1表示已经阻塞。
  pending表：4字节位图表示，描述信号的产生状态。下标同上，内容表示信号是否已经产生，0表示还未产生，1表示已经产生。
  handler表：这个表中存储着对于对应信号的处理方式。
  

如果在进程解除对某个信号阻塞之前，这个信号产生了多次，那么该如何处理呢？
Linux是这样处理的：普通信号在产生多次时只计一次，而实时信号产生多次时可以依次放在一个队列里。

• 信号的有效无效：
  从上图中来看，无论是block表还是pending表，都只有一个bit的标志位来标识每一个信号是否阻塞或未决，因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据结构sigset_t来存储，sigset_t是信号集，这个类型中用一个bit位表示每个信号的“有效”和“无效”状态。
  阻塞信号集中：“有效”或“无效”表示该信号是否被阻塞。（阻塞信号集也叫做信号屏蔽字）
  未决信号集中：”有效“或”无效“表示该信号是否处于未决状态。

• 信号集的操作：
  信号集操作的函数：

int sigemptyset(sigset_t *set);
//初始化set所指向的信号集，清零其中所有信号对应bit位

int sigfillset(sigset_t *set);
//使其中所有信号的对应bit置位,表示该信号集的有效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);//在该信号集中添加某种有效信号
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);//删除某种有效信号

int sigismember(const sigset_t *set, int signo);
//判断一个信号集中的有效信号是否包含某种信号包含返回1，不包含返回0，出错返回-1

注意：在使用sigset_t类型的变量前，一定要使用sigemptyset或sigfillset函数对其进行初始化，使信号集处于确定的状态。

• sigprocmask函数：
  功能：该函数用于读取或更改进程的信号屏蔽字（即阻塞信号集）。
  函数原型：

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);

返回值：成功返回0，出错返回-1.
参数解释：
oset：传出当前信号屏蔽字，如果oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字并通过oset传出，因此oset在这里是一个输出型参数。
set：如果set是非空指针，则更改进程的信号屏蔽字。
how：指示如何更改，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。

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中，然后再根据set和how参数更改信号屏蔽字。

how参数的可选值及其含义：

• sigpending函数：
  功能：读取当前进程的未决信号集，通过set传出。
  函数原型：

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);

返回值：调用成功返回0，出错返回-1.

对以上函数进行测试：
代码：

测试结果：