Linux中的信号
信号的概念及机制
每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送并由内核进行处理
与信号相关的事件和状态
产生信号：
- 按键产生：如：Ctrl+C、 Ctrl+z、 Ctrl+\
- 系统调用产生，如：kill、raise、abort
- 软件条件产生，如：定时器alarm
- 硬件异常产生，如：非法访问内存（段错误）、除0（浮点数例外）、内存对齐出错（总线错误）
- 命令产生，如：kill命令
递达:
递送并且到达进程
未决：
信号产生与递达之间的状态，主要是由于阻塞（或屏蔽）而导致
信号的处理方式：
- 执行默认动作，信号的处置为SIG_DFL（default）；
- 忽略（丢弃），把信号的处置设置为SIG_IGN（ignore）来忽略，但有两个信号不能被忽略：SIGKILL和SIGSTOP；
- 捕获（调用用户的处理函数signal handler来捕获catching），但有两个信号不能被捕获：SIGKILL和SIGSTOP。
Linux 内核的进程控制块 PCB 是一个结构体，task_struct, 除了包含进程 id，状态，工作目录，用户 id，组 id，文件描述符表，还包含了信号相关的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。
阻塞信号集（信号屏蔽字）：
将某些信号加入集合，对它们设置屏蔽，例如屏蔽x信号后，再接收到该信号，则不对该信号进行处理，直至该信号解除屏蔽。
未决信号集：
- 信号产生时，未决信号集中该信号对应的描述位立刻翻转为1，表明该信号处于未决状态；信号被处理后，该描述位则立刻翻转为0。通常情况下，未决状态十分短暂；
- 信号产生后由于某些原因（主要是阻塞）而不能递达，此类信号组成的集合为未决信号集。在屏蔽解除前，信号将一直处于未决状态。
示意图：
信号的编号
可使用kill-l查看当前系统可使用的信号：
信号4要素
- 编号；
- 名称；
- 事件；
- 默认处理动作。
可通过
man 7 signal查看帮助文档获取。 也可查看/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/arch/s390/include/uapi/asm/signal.h
部分signal有三个value，，第一个值通常对 alpha 和 sparc 架构有效，中间值针对 x86、arm和其他架构，最后一个应用于 mips 架构。一个‘-’表示在对应架构上尚未定义该信号。
默认动作：
- Term：终止进程；
- Ign：忽略信号（默认及时对该种信号进行忽略操作）；
- Core：终止进程，生成Core文件。（查验进程死亡原因，用于gdb调试）；
- Stop：停止（暂停）进程；
- Cont：继续运行进程。
注意：9)SIGKILL和19）SIGSTOP信号不允许被忽略和捕捉。
Linux常用信号一览表
1) SIGHUP: 当用户退出 shell 时，由该 shell 启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程
2) SIGINT：当用户按下了<Ctrl+C>组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
3) SIGQUIT：当用户按下<ctrl+\>组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信号。默认动作为终止进程。
4) SIGILL：CPU 检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生 core 文件；
5) SIGTRAP：该信号由断点指令或其他 trap 指令产生。默认动作为终止里程 并产生 core 文件。
6) SIGABRT: 调用 abort 函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生 core 文件。
7) SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生 core 文件。
8) SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为 0 等所有的算法错误。
默认动作为终止进程并产生 core 文件。
9) SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了
可以杀死任何进程的方法。
10) SIGUSE1：用户定义 的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
11) SIGSEGV：指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生 core 文件。
12) SIGUSR2：另外一个用户自定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
13) SIGPIPE：Broken pipe 向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
14) SIGALRM: 定时器超时，超时的时间 由系统调用 alarm 设置。默认动作为终止进程。
15) SIGTERM：程序结束信号，与 SIGKILL 不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。
执行 shell 命令 Kill 时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。
16) SIGSTKFLT：Linux 早期版本出现的信号，现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。
17) SIGCHLD：子进程状态发生变化时，父进程会收到这个信号。默认动作为 忽略这个信号。
18) SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。
19) SIGSTOP：停止进程的执行。信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为暂停进程。
信号的产生
终端按键产生
# Ctrl+c -> 2)SIGINT（终止/中断） "INT"-->interrupt
# Ctrl+z -> 20)SIGTSTP（暂停/停止） "T"-->terminal终端
# Ctrl+c -> 3)SIGQUIT（退出）
硬件异常产生
# 除0操作 -> 8)SIGFPE（浮点数例外） "F"-->float浮点数
# 非法访问内存 -> 11)SIGSEGV（段错误）
# 总线错误 -> 7)SIGBUS
kill函数/命令产生
# 命令格式： kill -SIGKILL pid ( == kill -9 pid)
/*
成功：0
失败：-1，设置errno
失败可能的原因：pid非法，信号非法或用户权限不够等
*/
int kill(pid_t pid, int sig);//pid为进程编号，sig为信号编号，应使用宏名，避免不同操作系统信号编号不一致
/*
pid>0: 发送信号给进程号为pid的进程；
pid=0: 发送信号给与调用 kill 函数进程属于同一进程组的所有进程。
pid<0: 发送信号给|pid|绝对值所在的进程组；
pid=-1: 发送信号给进程有权限发送的系统中所有进程。
*/
//普通用户间不能发送信号，普通用户也无法利用kill向root用户发送信号。
举例：循环创建子进程，父进程用kill终止任一子进程
软件条件产生
alarm函数
每个进程都有且仅有一个定时器
alarm函数会利用内核给当前进程发送14）SIGALRM信号，进程收到信号后，默认终止
unsigned int alarm(unsigned int seconds);//返回0或剩余的秒数，不存在失败的情形
alarm(0)会取消定时器
举例：编写程序测试1秒钟能数多少个数
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
alarm(1);
int i=0;
while(1){
i++;
printf("%d\n", i);
}
return 0;
}
使用time命令查看程序执行时间
time ./alarm
实际执行时间real = 系统时间sys + 用户时间user + 等待时间
setitimer函数
同样可设置定时器，但精度可至微秒，且可循环执行。
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
/* which：指定定时方式：
1.ITIMER_REAL:自然时间
2.ITIMER_VIRTUAL（用户空间）：只计算进程占用CPU的时间
3.ITIMER_PROF（用户+内核）：计算占用CPU及执行系统调用的时间
struct itimerval {
struct timeval it_interval; // Interval for periodic timer
struct timeval it_value; // Time until next expiration
};
struct timeval {
time_t tv_sec; // seconds
suseconds_t tv_usec; // microseconds
};
*/
举例：setitimer实现alarm
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h> /* setitimer() */
#include <signal.h> /* signal() */
void sys_err(const char* str) {
perror(str);
exit(1);
}
void func() {
printf("hello world!\n");
}
int main(int argc, char* argv[]) {
struct itimerval new_value;
struct itimerval old_value;
//捕捉闹钟信号，并执行func()函数规定的操作：SIGALRM默认的行为是终止进程
signal(SIGALRM, func);
//设置闹钟时间
new_value.it_interval.tv_sec=1;
new_value.it_interval.tv_usec=0;
//设置循环周期
new_value.it_value.tv_sec=2;
new_value.it_value.tv_usec=0;
/*
old_value.it_interval.tv_sec=1;
old_value.it_interval.tv_usec=0;
old_value.it_value.tv_sec=1;
old_value.it_value.tv_usec=0;
*/
if(setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, &old_value) == -1 ){
sys_err("setitimer error");
}
while(1);//阻塞程序，以查看现象
return 0;
}
信号集操作函数
内核通过读取未决信号集来判断信号是否被处理。
信号屏蔽字mask可以影响未决信号集。
我们可以在程序中自定义集合set来改变mask，以达到屏蔽指定信号的目的。
信号集设定函数
sigset_t set; //typedef unsigned long sigset_t;
int sigemptyset(sigset* set); //将某个信号集清零 成功：0 失败：-1
int sigfillset(sigset* set); //将某个信号集置1 成功：0 失败：-1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum); //将某个信号加入信号集 成功：0；失败：-1
int sigdelset(sigset_t *set, int signum); //将某个信号清出信号集 成功：0；失败：-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);//判断某个信号是否在信号集中 返回值：在集合：1；不在：0；出错：-1
//sigset_t 类型的本质是位图。但不应该直接使用位操作，而应该使用上述函数，保证跨系统操作有效。
sigprocmask函数
/*
用来屏蔽信号、解除屏蔽也使用该函数。其本质，读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB 中)
【注】屏蔽信号：只是将信号处理延后执行( 延至解除屏蔽) ；而忽略表示将信号丢处理
成功：0 失败：-1 并设置errno
*/
int sigprocmask(int how, const sigset_t* set, sigset_t* oldset);
/*
set:传入参数；
oldset:传出参数，保存旧的信号屏蔽集
how:对当前信号屏蔽集mask所作的操作：
1）SIG_BLOCK: set表示待屏蔽的信号集，相当于 mask = mask|set
2）SIG_UNBLOCK: set表示需要解除屏蔽的信号集，相当于 mask = mask&~set
3）SIG_SETMASK：set 表示用于替代原始屏蔽及的新屏蔽集。相当于 mask = set 若调用 sigprocmask 解除了对当前若干个信号的阻塞，则在 sigprocmask 返回前，至少将其中一个信号递达。
how取前两种方式，比较安全。通常将set的某一信号位位设置为1，然后采用SIG_BLOCK或SIG_UNBLOCK对mask中的该信号位进行屏蔽或解除屏蔽。
*/
sigpending函数
读取当前进程的未决信号集
int sigpending(sigset_t* set);//set为传出参数 成功：0 失败：-1 设置errno
代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
void sys_err(const char* str) {
perror(str);
exit(1);
}
void print_set(sigset_t* set){
int i;
for(i=1;i<32;i++){
if(sigismember(set,i)){
putchar('1');
}else{
putchar('0');
}
}
printf("\n");
}
int main(int argc, char* argv[]) {
sigset_t set, oldset, pedset;
int ret=0;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
ret=sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset);
if(ret==-1){
sys_err("sigprocmask error");
}
while(1){
ret=sigpending(&pedset);
if(ret==-1){
sys_err("sigpending error");
}
print_set(&pedset);
}
return 0;
}
信号捕捉
signal函数
该函数是注册一个信号捕捉函数
typedef void (*sighandler_t)(int);//函数指针sighandler_t：参数为int 返回值为void
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
==void (*signal(int signum, void (*sighandler_t)(int))) (int);
上述函数较老 应尽量避免使用
sigaction函数
//成功：0 失败：-1 设置errno
//act:in oldact: out
int sigaction(int signum, const struct sigaction* act, struct sigaction* oldact);
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int);
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
void (*sa_restorer)(void);
};
//* sa_handler:信号捕捉后的处理函数（即注册函数），也可使用SIG_IGN(忽略)或SIG_DFL（默认动作）；
// sa_sigaction:当sa_flags被指定为SA_SIGINFO时，使用该信号处理程序（但很少使用）；
//* sa_mask:调用信号处理函数时，所要屏蔽的信号集合(信号屏蔽字)。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽生效，是临时性设置。
//* sa_flags:通常设置为 0，表使用默认属性。
// sa_restorer:（该元素已弃用）
代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
void sys_err(const char* str) {
perror(str);
exit(1);
}
void sig_catch(int signo) {
printf("catch you, %d \n", signo);
}
int main(int argc, char* argv[]) {
struct sigaction act,oldact;
act.sa_handler = sig_catch; //设置回调函数
sigemptyset(&(act.sa_mask));//清空信号屏蔽字
act.sa_flags = 0; //设置标志位
int ret = sigaction(SIGINT, &act, &oldact);
if( ret == -1) {
sys_err("sigaction error");
}
while(1);
return 0;
}
信号捕捉特性
1. 捕捉函数执行期间，信号屏蔽字 由 mask --> sa_mak, 捕捉函数执行结束后，恢复为mask;
2. 捕捉函数执行期间，本信号自动被屏蔽(sa_flag=0);
3. 捕捉函数执行期间，被屏蔽信号多次发送，解除屏蔽后只处理一次。
内核实现信号捕捉过程:
SIGCHLD信号
产生条件
- 子进程终止时；
- 子进程接收到SIGSTOP信号而停止时；
- 子进程处于停止态，接收到SIGCONT后唤醒时。
借助SIGCHLD信号回收子进程
代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
void sys_err(char* str) {
perror(str);
exit(1);
}
void catch_child(int signo) {
int status;
pid_t wpid;
/*
wpid = wait(NULL);
printf("catch you, %d\n", wpid);
*/
while((wpid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) { //循环回收子进程，因为SIGCHLD信号不支持排队，所以需要循环回收，避免出现僵尸进程
if(WIFEXITED(status)) {
printf("child %d exit %d \n",wpid, WEXITSTATUS(status));
} else if(WIFSIGNALED(status)) {
printf("child %d cancel signal %d \n", wpid, WTERMSIG(status));
}
}
return;
}
int main() {
pid_t pid;
int i;
//阻塞信号
for(i =0; i<5; i++) {
if((pid=fork())==0) { //创建多个子进程
break;
} else if(pid < 0) {
sys_err("fork error");
}
}
if(pid == 0) {
int n = 1;
while(n--) {
printf("child id %d\n", getpid());
sleep(1);
}
return i*i;
} else if(pid > 0) {
//sleep(1);
struct sigaction act,oldact; //注册信号捕捉函数
act.sa_handler=catch_child;
sigemptyset(&(act.sa_mask));
act.sa_flags=0;
sigaction(SIGCHLD,&act,&oldact);
//解除阻塞
while(1) {
printf("I'm parent: %d\n",getpid());
sleep(1);
}
}
return 0;
}
SIGCHLD信号注意问题
- 子进程继承了父进程的信号屏蔽字和信号处理动作，但并未继承未决信号集；
- 须注意注册信号捕捉函数的位置应在父进程中；
- 应在fork之前阻塞SIGCHLD信号，注册完捕捉函数之后解除阻塞，避免父进程来不及捕捉子进程的SIGCHLD信号。
中断系统调用
- 慢速系统调用：可能会使进程永久调阻塞的调用，如：read,write,wait……
- 其他系统调用：如：getpid,fork……
慢速系统调用被中断时，可利用修改sa_flags参数来设置被信号中断后系统调用是否重启。设置为SA_INTERRUPT表示不重启，SA_RESET表示重启。
扩展：sa_flags还有其他参数，在捕捉到信号后，在执行捕捉函数期间，不希望自动阻塞该信号，可将sa_flags设置为SA_NODEER，除非sa_mask中包含该信号（将其阻塞）。
,&act,&oldact);
//解除阻塞
while(1) {
printf(“I’m parent: %d\n”,getpid());
sleep(1);
}
}
return 0;
}
#### SIGCHLD信号注意问题
1. 子进程继承了父进程的信号屏蔽字和信号处理动作，但并未继承未决信号集；
2. 须注意注册信号捕捉函数的位置应在父进程中；
3. 应在fork之前阻塞SIGCHLD信号，注册完捕捉函数之后解除阻塞，避免父进程来不及捕捉子进程的SIGCHLD信号。
### 中断系统调用
1. 慢速系统调用：可能会使进程永久调阻塞的调用，如：read,write,wait……
2. 其他系统调用：如：getpid,fork……
慢速系统调用被中断时，可利用修改sa_flags参数来设置被信号中断后系统调用是否重启。设置为SA_INTERRUPT表示不重启，SA_RESET表示重启。
扩展：sa_flags还有其他参数，在捕捉到信号后，在执行捕捉函数期间，不希望自动阻塞该信号，可将sa_flags设置为SA_NODEER，除非sa_mask中包含该信号（将其阻塞）。