【Linux】简单聊信号

待我称王封你为后i 2021-11-17 01:02 258阅读 0赞

大家对信号应该不陌生吧。  
在生活中：比如红绿灯，这个信号让我们知道什么时候过马路更安全。你妈叫你回家吃饭，这个信号让你知道你接下来该回家了。又或者你网购了衣服，即使快递还没有到，但你知道快递来了以后你该怎么处理。  
在计算机中，我们经常通过 `Ctrl+C` 结束当前进程的过程，其实是键盘产生了一个硬件中断，被OS获取解释成信号，再发送给目标前台，前台进程收到了信号进而引起进程终止并退出。  
**所以信号可以让接收者做出相应的反应。**  
并且，接收方在收到信号之前就知道应该怎样处理合法的信号。

#### 初步认识 ####

操作系统中一共有62 个信号，其中有31个普通信号和31个实时信号。我们这里只了解31个普通信号。  
信号是由操作系统发出，让进程接收并作出相应的反应。进程中存储信号的地方是PCB，并用int 的位图存储收到的每个信号。

> **注意** ：
> 
> 1.  Ctrl+C 产生的信号只能发送给前台进程。  
>     在一个命令后加&可以将当前进程放到后台运行，这样shell无需等当前进程结束就可以启动新的进程。
> 2.  系统发出的信号相对进程的控制流程是异步的。  
>     因为无论当前用户空间的代码执行到哪里，都可能因为收到OS的信号而终止退出，所以二者是异步的(不可预料的）。

#### 信号的概念 ####

*  信号是进程间时间异步通知的一种方式，属于软中断  
    我们可以通过`kill -l` 查看系统定义的信号列表  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
    **注意：** 9号信号是kill 命令，只有它无法被自定义修改处理方式，且永不会失效。

> **与信号相关的概念：**

*  OS **发送信号** 的过程：OS先找到进程的PCB，再找到位图中于当前信号相对应的位置，将当前位置的0置成1，表示进程收到信号。其实我们更喜欢称此过程为 **“写信号”**，看完这篇博客你就会有更深的理解。
 *  安装中断：设置信号来时不执行默认操作，而是执行自己的代码，即期望某个信号来到时让进程执行相应的中断服务程序
 *  忽略信号：进程已经被递送给目标进程，但是目标进程不处理，直接丢弃。
 *  **捕获(递达)信号：** 实际执行信号的处理动作被称为捕获
 *  **屏蔽(阻塞)信号：** 进程暂时不接受某些信号。如果在屏蔽期间向进程发送了被屏蔽的信号，该信号不会被进程捕获；一段时间后如果进程解除该信号的屏蔽，该信号将被捕获到
 *  **未决信号：** 信号已经产生，但因为目标进程暂时屏蔽该信号而不能被目标进程捕获信号

#### 信号的一生 ####

要了解信号的产生和处理，销毁等过程，我们就要先知道信号的一生，下面这张图可以很好的帮助我们理解：  
**下图中需要注意的是：一个进程向另一个进程发送信号时，其实并非直接发送到目标进程，而是通过操作系统转发完成的** 我们不过多的研究  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 1. 产生信号的方式 ####

1.  通过终端按键产生信号：键盘 — 只能发送给前台进程  
    SIGINT 的默认动作是终止进程，SIGQUIT 的默认动作是终止进程并且Core Dump。

> Core Dump：核心转储。意味Core Dump的出现会带来core文件，可以方便进程异常终止后进行调试的时候查看错误原因，也叫事后调试。但系统默认是不允许产生core文件的，因为文件中可能包含着用户的敏感信息，不过我们需要core文件时，可以在开发调试阶段用ulimite 进行修改。  
> 具体步骤：ulimite -c 1024（文件大小）  
> ulimite -a（查看当前所有core文件）  
> (gdb) core -file core.2884(调试文件名为core.2884的文件，会直接打开）

1.  调用系统函数向进程发信号  
    `int kill(pid_t pid,int signo);`  
    kill 命令是调用kill 函数实现的，可以给一个指定的进程发送指定的信号。  
    ·`int raise(int signo);`  
    raise 函数可以给当前进程发送指定的信号（即自己给自己发信号）。  
    `void abort(void);`  
    类似exit()函数，让当前进程异常终止，所以它总是会成功的。
2.  由软件条件产生：SIGPIPE  
    SIGPIPE 是一种由软件条件产生的信号，主要用于管理进程。在这里我们主要介绍alarm 函数和SIGALRM信号。  
    `unsigned int alarm(unsigned int second);`  
    调用alarm 函数，我们可以设定一个闹钟，也就是告诉内核在second 秒后给当前进程发SIGALRM信号，此信号默认动作是终止进程。  
    **注意：** alarm 在时间未到前也可以被唤醒，此时返回函数剩余时间，又可重新再设定。
3.  异常硬件产生信号  
    硬件异常被硬件以某种方式检测到并通知内核，然后内核再向该进程发送信号。

> 例如 SIGFPE 表示CPU的运算单元产生异常；SIGSEGV 表示进程地址上的MMU出现非法访问等异常。

5.-kill 命令  
永不失效，且无法被自定义的handler方法修改

#### 2. 信号捕捉： ####

捕捉函数：`sighandler_t signal(int ssignum,sighandler_t haandler);`  
**模拟实现野指针异常的捕捉处理：**  
我们如果定义一个野指针，则会发生以下错误：  
![在这里插入图片描述][20190730153202162.png]  
我们可以通过`signal（signo,handler）;`捕捉此信号，如下

#include <stdio.h>
    #include <signal.h>
    
    void handler(int sig)
    {
       sleep(2);
    	printf("catch a sig:%d\n",sig);
    }
    int main()
    {
    	signal(SIGSEGV,handler);
    	sleep(1);
    	int *p=NULL;
    	*p=100;
    	while(1);
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][20190730160345908.png]  
此时我们便捕捉到这个内存访问越界的信号编号为11。  
**这里需要解释，为什么进入while后仍然不停的打印结果：因为信号已被注册，我们只修改了它的处理方式，并没有处理它，所以信号一直存在。**

#### 3. 处理信号的常见方式： ####

*  忽略此信号
 *  执行该信号的默认动作：一般为终止进程
 *  自定义处理信号函数，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，这种方法称为捕捉（自定义）一个信号。下面讲
 *  进程收到信号不利己处理，在合适的时机再去处理

#### 阻塞信号 ####

**1. 信号在内核中的表示示意图：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

> OS对信号管理的过程：查看pending表 – block表 – handler – 修改pending表

解释在上图中：  
SIGHUP 信号未产生，且在产生时不会阻塞，当它递达时执行默认的动作。  
SIGINT 已产生并且阻塞，当它递达时执行忽略动作。但在阻塞解除时可修改处理动作。  
SIGQUIT 未产生，但在产生时会被阻塞，它的处理动作由用户自定义。

这里还有几个重要的概念：

*  block：表明某个信号是否阻塞

> 内容：是否阻塞 1–是 0–否  
> 下标：对应信号的编号

*  pending：表明是否未决信号

> 内容：是否收到信号 1-是 0-否  
> 下标：对应信号的编号

*  handler：指明信号的处理动作 **是一个函数的指针数组**
 *  在信号递达之前时，多次产生的普通信号都只按一次处理，但实时信号会依次放入一个消息队列中。

**2. sigset\_t 信号集**  
从上图可以看出，每个信号的阻塞和未决标志都可以用一个bit位来表示，所以我们可以用相同的数据类型 sigset\_t 来存储，将sigset\_t 称为信号集，它可以表示每个信号的“有效”或者“无效”状态。

*  信号集的操作函数：

#include <signal.h>
    //初始化信号集内bit位全为0
    int sigemptyset (sigset_t *set);
    
    //初始化信号集内bit位全为0
    int sigfillset(sigset_t *set);
    
    //向信号集内添加信号
    int sigaddset(sigset_t *set,int signo);
    
    //删除信号集内信号
    int sigdelset(sigset_t *set,int signo);
    
    //判断当前信号是否在信号集内
    bool sigismember(const sigset_t *set,int signo);

**注意：** 在使用sigset\_t 类型的变量前，一定要调用函数进行初始化，使信号集内的信号处于确定状态，然后再进行添加和删除操作。这些函数成功返回0，出错返回-1。

**3. 信号屏蔽字（阻塞信号集）sigprocmask**  
`int sigprocmask (int how,const sigset_t *set,sigset_t *oset);`  
函数中，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通过how 指示如何更改；如果oset 和set 都是非空指针，则将原信号屏蔽字备份到oset 中，再根据set和how 参数更改信号屏蔽字。  
假设当前信号屏蔽字为mask，how 参数的可选值如下：

> 添加阻塞信号：SIG\_BLOCK 相当于mask=mask | set  
> 解除阻塞信号：SIG\_UNBLOCK 相当于 mask=mask & ~set  
> 重设set指的值：SIG\_SETMASK 相当于 mask=set

**4. 未决信号集 sigpending**

sigpending  
读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。  
看下面的程序，应该会更清除一些：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
运行结果：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
由运行结果可知，Ctrl+C 已失效，因为我们将该信号加入阻塞队列，所以一直处于未决状态，不被处理。但是Ctrl+Z仍然可以停止程序，因为该信号并未被阻塞。

#### 信号的捕捉及处理 ####

处理信号的时机：在内核返回用户时。  
当信号的自定义处理动作在用户区时，在信号递达时就调用该函数，称为捕捉信号

*  **信号处理过程**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
    我们都知道操作系统是计算机中权限最高的管理者，操作系统不相信任何人，所以处理信号这种行为就是执行内核区的代码。有的同学会问什么是执行内核区的代码？操作系统给我提供的系统调用api就是执行内核区代码，而我们执行自己写的代码就是执行用户区的代码。之所以需要在内核区中捕获处理信号是因为，操作系统在捕获信号时需要检测未决信号集合，屏蔽信号集等，并需要在处理信号后将他们由1置为0，这是用户无法做到的。这也就说明**main函数的执行流与信号的执行流是两个独立的执行流**，我们将上面的理论抽象出以下图形就发现很好记忆：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]
 *  **sigaction**  
    ![在这里插入图片描述][20190730181129922.png]  
    sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功返回0 ，失败返回-1。signo 表示指定的信号编号。  
    此函数的第一个参数为要安装的信号，第二三个参数都为信号结构体sigaction（用于描述要采取的操作及相关信息）变量。第二个参数用来指定欲设置的信号处理方式，第三个参数将存储执行此函数前针对此信号的安装信息，说白了就是一个备份。  
    接下来我们了解一下struct sigaction ：

struct sigaction {
    
    	void (*sa_handler)(int);//类似于调用signal函数
    	
    	void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//信号捕获函数，可以获取其他信息
    	
    	sigset_t sa_mask;//执行信号捕获函数期间要屏蔽的其他信号集合
    	
    	int sa_flags;//影响信号行为的特殊标志
    	
    	void (*sa_restorer)(void);//没有使用，作为了解
    
    }

结构体中sa\_mask是一个信号集合(位图)，用于标识在执行信号捕获函数时，添加到进程屏蔽信号集合中的信号集。但是不会屏蔽9，18，19号信号。  
上面的sa\_handler和sa\_sigaction函数指针只需要二取一即可，如果使用前者那么行为和signal函数相同，而后者可以获取更多的信息，这看起来像时signal的升级版。

#### SIGCHID – 实现一个不产生僵尸进程的函数 ####

1.  在[进程的管理][Link 1]一章中，我讲到过用wait和waitpid函数可以清理僵尸进程，父进程可以阻塞式等待子进程结束，也可以非阻塞式的轮询是否有子进程结束需要清理。使用第一种方式父进程无法处理自己的工作，使用第二种方式父进程需要一直轮询，程序实现复杂，效率还较低。
2.  其实在子进程终止时总是会给父进程法SIGCHID信号，该信号的默认处理动作是忽略。所以如果我们自定义父进程处理SIGCHID信号的动作，让它在收到信号时再wait()清理子进程即可。
3.  事实上，要想不产生僵尸进程还有另一种方法：父进程调用sigaction将SIGCHID的处理动作定义成SIG\_IGN，这样子进程在终止时会自动被清理，不会产生僵尸进程也不会通知子进程。  
    **注意：** 通常系统默认SIG\_IGN忽略动作与用户自定义的忽略无差别，但这是个特例。

测试代码如下：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <signal.h>
    
    void handler(int sig)
    {
    	pid_t id;
    	while(id=waitpid(-1,NULL,WNOHANG)>0)
    	{
    		printf("wait child success:%d\n",id);
    	}
    	printf("child quit\n");
    }
    int main()
    {
    	signal(SIGCHLD,handler);
    	pid_t cid;
    	if(cid=fork()==0) //chid
    	{
    		printf("child :%d\n",getpid());
    		sleep(3);
    		exit(1);
    	}
    	while(1)
    	{
    		printf("father doing other\n");
    		sleep(1);
    	}
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
由运行结果可以看出，子进程在退出前，父进程在做其他事情，当子进程退出时，handler函数捕捉到到退出信号并处理它，父进程仍在做其他事情。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211116/e51b3df3ef6f4052b2857c8597a99fca.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20211116/2d6467e2346f4ba2b5690c42819d737e.png
[20190730153202162.png]: /images/20211116/36959d0e5d6b40abb2d763f07e2fa798.png
[20190730160345908.png]: /images/20211116/e9a5fd04eda34e4782699bb20a2ae22a.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20211116/c02b043b6dfd4607a1dfb09fd11d5292.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20211116/27e8e7993d1c479aa8bf15c79c8402d9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20211116/c73122cd57124c31b447dfd2a85dcacc.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20211116/c272c05c2fe74ac397f3ed591415ca38.png
[20190730181129922.png]: /images/20211116/be68b080f407446b9ba751ce4107a20c.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/ly_6699/article/details/95903260
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20211116/4e410f1c536f4d178d18d8d80ffdbd1a.png