[系统运维]高性能服务器编程-信号

信号是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，以通知目标进程某个状态的改变或系统异常。Linux 信号可由如下条件产生：

• 对于前台进程，用户可以通过输人特殊的终端字符来给它发送信号。比如输入Ctrl+C通常会给进程发送一个中断信号。
• 系统异常。比如浮点异常和非法内存段访问。
• 系统状态变化。比如alarm定时器到期将引起SIGALRM信号。
• 运行kill命令或调用kill 函数。
• 服务器程序必须处理(或至少忽略)一些常见的信号，以免异常终止。

发送信号

Linux下，一个进程给其他进程发送信号的API是kill函数。其定义如下：

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

/* Send signal SIG to process number PID.  If PID is zero,
   send SIG to all processes in the current process's process group.
   If PID is < -1, send SIG to all processes in process group - PID.  */
#ifdef __USE_POSIX
extern int kill (__pid_t __pid, int __sig) __THROW;
#endif /* Use POSIX.  */

该函数把信号sig发送给目标进程;目标进程由pid参数指定，其可能的取值及含义如：

Linux定义的信号值都大于0，如果sig取值为0，则kill函数不发送任何信号。但将sig设置为0可以用来检测目标进程或进程组是否存在，因为检查工作总是在信号发送之前就执行。不过这种检测方式是不可靠的。一方面由于进程PID的回绕，可能导致被检测的PID不。是我们期望的进程的PID;另一方面，这种检测方法不是原子操作。

该函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errmo。几种可能的errno 如表所示。

信号处理

目标进程在收到信号时，需要定义一个接收函数来处理之。信号处理函数的原型如下:

/* Type of a signal handler.  */
typedef void (*__sighandler_t) (int);

信号处理函数只带有一个整型参数，该参数用来指示信号类型。信号处理函数应该是可重入的（就是多次调用，执行的结果是一致的），否则很容易引发一些竞态条件（前后两次运行同一个程序，出现的结果不同。）。所以在信号处理函数中严禁调用一些不安全的函数。

除了用户自定义信号处理函数外，bits/signum.h头文件中还定义了信号的两种其他处理SIG_IGN和SIG_DEL：

/* Fake signal functions.  */

#define	SIG_ERR	 ((__sighandler_t) -1)	/* Error return.  */
#define	SIG_DFL	 ((__sighandler_t)  0)	/* Default action.  */
#define	SIG_IGN	 ((__sighandler_t)  1)	/* Ignore signal.  */

#ifdef __USE_XOPEN
# define SIG_HOLD ((__sighandler_t) 2)	/* Add signal to hold mask.  */
#endif

SIG_IGN表示忽略目标信号，SIG_DFL表示使用信号的默认处理方式。信号的默认处理方式有如下几种:结束进程(Term)、 忽略信号(Ign)、 结束进程并生成核心转储文件(Core)、暂停进程(Stop)， 以及继续进程(Cont)。

Linux信号

中断系统调用

如果程序在执行处于阻塞状态的系统调用时接收到信号，并且我们为该信号设置了信号处理函数，则默认情况下系统调用将被中断，并且errno被设置为EINTR。我们可以使用sigaction函数为信号设置SA_RESTART标志以自动重启被该信号中断的系统调用。

对于默认行为是暂停进程的信号(比如SIGSTOP、SIGTTIN)，如果我们没有为它们设置信号处理函数，则它们也可以中断某些系统调用( 比如connect、epoll_wait)。 POSIX没有规定这种行为，这是Linux独有的。

信号函数signal

要为一个信号设置处理函数，可以使用下面的signal系统调用：

#include <signal.h>

//signal系统调用出错时返回SIG_ERR，并设置ermo。

/* Set the handler for the signal SIG to HANDLER, returning the old
   handler, or SIG_ERR on error.
   By default `signal' has the BSD semantic.  */
#ifdef __USE_MISC
extern __sighandler_t signal (int __sig, __sighandler_t __handler)
     __THROW;
#else
/* Make sure the used `signal' implementation is the SVID version. */
# ifdef __REDIRECT_NTH
extern __sighandler_t __REDIRECT_NTH (signal,
				      (int __sig, __sighandler_t __handler),
				      __sysv_signal);
# else
#  define signal __sysv_signal
# endif
#endif

sig参数指出要捕获的信号类型。__handler 参数是。__sighandler_t 类型的函数指针，用于指
定信号sig的处理函数。

signal函数成功时返回一个函数指针，该函数指针的类型也是__sighandler__t。这个返回值是前一次调用signal函数时传人的函数指针，或者是信号sig对应的默认处理函数指针SIG_DEF (如果是第一次调用signal的话)。

信号函数sigaction

设置信号处理函数的更健壮的接口是如下的系统调用：

#include <signal.h>

/* Get and/or set the action for signal SIG.  */
extern int sigaction (int __sig, const struct sigaction *__restrict __act,
		      struct sigaction *__restrict __oact) __THROW;
//sigaction成功是返回0，失败返回-1，并不设置ermo。

sig参数指出要捕获的信号类型，act参数指定新的信号处理方式，oact参数则输出信号先前的处理方式(如果不为NULL的话)。act 和oact都是sigaction结构体类型的指针，sigaction结构体描述了信号处理的细节，其定义如下：

/* Structure describing the action to be taken when a signal arrives.  */
struct sigaction
  {
    /* Signal handler.  */
#if defined __USE_POSIX199309 || defined __USE_XOPEN_EXTENDED
    union
      {
	/* Used if SA_SIGINFO is not set.  */
	__sighandler_t sa_handler;
	/* Used if SA_SIGINFO is set.  */
	void (*sa_sigaction) (int, siginfo_t *, void *);
      }
    __sigaction_handler;
# define sa_handler	__sigaction_handler.sa_handler
# define sa_sigaction	__sigaction_handler.sa_sigaction
#else
    __sighandler_t sa_handler;
#endif

    /* Additional set of signals to be blocked.  */
    __sigset_t sa_mask;

    /* Special flags.  */
    int sa_flags;

    /* Restore handler.  */
    void (*sa_restorer) (void);
  };

该结构体中的sa_hander成员指定信号处理函数。sa__mask成员设置进程的信号掩码(确切地说是在进程原有信号掩码的基础上增加信号掩码)，以指定哪些信号不能发送给本进程。sa_mask是信号集sigset_t (__sigset__t 的同义词)类型，该类型指定一组信号。sa_flags 成员用于设置程序收到信号时的行为，其可选值如表所示：

sa_restorer成员已经过时，最好不要使用。

信号集函数

Linux使用数据结构__sigset_t来表示一组信号，其定义如下：

#include <bits/types/__sigset_t.h>

#define _SIGSET_NWORDS (1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))
typedef struct
{
  unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];
} __sigset_t;

由该定义可见，sigset_t实际上是一个长整型数组，数组的每个元素的每个位表示一个信号。这种定义方式和文件描述符集fd_set 类似。Linux 提供了如下一-组函数来设置、修改、删除和查询信号集：

#include <signal .h>
int sigemptyset (sigset_t*_set)/*清空信号集*/
int sigfllset (sigset_t*_set)/*在信号集中设置所有信号*/
int sigaddset (sigset_t*_set, int_signo)/*将信号_signo 添加至信号集中*/
int sigdelset (sigset_ t*_set, int_signo)/*将信号_signo从信号集中删除*/
int sigismember (_const sigset__t*__set, int__signo) /*测试_signo是否在信号集中 */

进程信号掩码

前文提到，我们可以利用sigaction结构体的sa_mask成员来设置进程的信号掩码。此
外，如下函数也可以用于设置或查看进程的信号掩码：

#include <signal.h>
/* Get and/or change the set of blocked signals.  */
extern int sigprocmask (int __how, const sigset_t *__restrict __set,
			sigset_t *__restrict __oset) __THROW;
//sigprocmask成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。

_set 参数指定新的信号掩码，_oset 参数则输出原来的信号掩码(如果不为NULL的话)。如果_set参数不为NULL，则__how参数指定设置进程信号掩码的方式，其可选值如表

如果__set 为NULL，则进程信号掩码不变，此时我们仍然可以利用_oset 参数来获得进
程当前的信号掩码。

被挂起的信号

设置进程信号掩码后，被屏蔽的信号将不能被进程接收。如果给进程发送一个被 屏蔽的信号，则操作系统将该信号设置为进程的–个被挂起的信号。如果我们取消对被挂起信号的屏蔽，则它能立即被进程接收到。如下函数可以获得进程当前被挂起的信号集：

/* Put in SET all signals that are blocked and waiting to be delivered.  */
extern int sigpending (sigset_t *__set) __THROW __nonnull ((1));
//sigpending成功时返回0，失败时返回-1并设置ermo。

set参数用于保存被挂起的信号集。显然，进程即使多次接收到同一个被挂起的信号,sigpending丽数也只能反映一次。 并且，当我们再次使用sigprocmask使能该挂起的信号时，该信号的处理函数也只被触发一次。

统一事件源

信号是一种异步事件：信号处理函数和程序的主循环是两条不同的执行路线。很显然，信号处理函数需要尽可能快地执行完毕，以确保该信号不被屏蔽(前面提到过，为了避免一些竞态条件， 信号在处理期间，系统不会再次触发它)太久。一种典型的解决方案是：把信号的主要处理逻辑放到程序的主循环中，当信号处理函数被触发时，它只是简单地通知主循环程序接收到信号，并把信号值传递给主循环，主循环再根据接收到的信号值执行目标信号对应的逻辑代码。信号处理函数通常使用管道来将信号“传递”给主循环：信号处理函数往管道的写端写人信号值，主循环则从管道的读端读出该信号值。那么主循环怎么知道管道上何时有数据可读呢?这很简单，我们只需要使用I/O复用系统调用来监听管道的读端文件描述符上的可读事件。如此-来，信号事件就能和其他I/O事件一样被处理，即统一事件源。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
static int pipefd[2];

int setnonblocking(int fd)
{
    int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
    return old_option;
}

void addfd(int epollfd, int fd)
{
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
    setnonblocking(fd);
}

void sig_handler(int sig)
{
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
    send(pipefd[1], (char *)&msg, 1, 0);
    errno = save_errno;
}

void addsig(int sig)
{
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, '\0', sizeof(sa));
    sa.sa_handler = sig_handler;
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    sigfillset(&sa.sa_mask);
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2)
    {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }
    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(listenfd >= 0);

    //int nReuseAddr = 1;
    //setsockopt( listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &nReuseAddr, sizeof( nReuseAddr ) );
    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    if (ret == -1)
    {
        printf("errno is %d\n", errno);
        return 1;
    }
    //assert( ret != -1 );

    ret = listen(listenfd, 5);
    assert(ret != -1);

    epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
    int epollfd = epoll_create(5);
    assert(epollfd != -1);
    addfd(epollfd, listenfd);

    ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd);
    assert(ret != -1);
    setnonblocking(pipefd[1]);
    addfd(epollfd, pipefd[0]);

    // add all the interesting signals here
    addsig(SIGHUP);
    addsig(SIGCHLD);
    addsig(SIGTERM);
    addsig(SIGINT);
    bool stop_server = false;

    while (!stop_server)
    {
        int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
        if ((number < 0) && (errno != EINTR))
        {
            printf("epoll failure\n");
            break;
        }

        for (int i = 0; i < number; i++)
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            if (sockfd == listenfd)
            {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
                int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
                addfd(epollfd, connfd);
            }
            else if ((sockfd == pipefd[0]) && (events[i].events & EPOLLIN))
            {
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv(pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);
                if (ret == -1)
                {
                    continue;
                }
                else if (ret == 0)
                {
                    continue;
                }
                else
                {
                    for (int i = 0; i < ret; ++i)
                    {
                        //printf( "I caugh the signal %d\n", signals[i] );
                        switch (signals[i])
                        {
                        case SIGCHLD:
                        case SIGHUP:
                        {
                            continue;
                        }
                        case SIGTERM:
                        case SIGINT:
                        {
                            stop_server = true;
                        }
                        }
                    }
                }
            }
            else
            {
            }
        }
    }

    printf("close fds\n");
    close(listenfd);
    close(pipefd[1]);
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

外带数据信号SIGURG

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>

#define BUF_SIZE 1024

static int connfd;

void sig_urg(int sig)
{
    int save_errno = errno;

    char buffer[BUF_SIZE];
    memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
    int ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, MSG_OOB);
    printf("got %d bytes of oob data '%s'\n", ret, buffer);

    errno = save_errno;
}

void addsig(int sig, void (*sig_handler)(int))
{
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, '\0', sizeof(sa));
    sa.sa_handler = sig_handler;
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    sigfillset(&sa.sa_mask);
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2)
    {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }
    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0)
    {
        printf("errno is: %d\n", errno);
    }
    else
    {
        addsig(SIGURG, sig_urg);
        fcntl(connfd, F_SETOWN, getpid());

        char buffer[BUF_SIZE];
        while (1)
        {
            memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
            ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, 0);
            if (ret <= 0)
            {
                break;
            }
            printf("got %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer);
        }

        close(connfd);
    }

    close(sock);
    return 0;
}