Linux操作系统之进程信号

一、信号

1、概念

• 在Linux中用于进程间通信和控制的一种机制，是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。
• 所有信号的产生，最终都要由OS来进行执行，因为OS是进程的管理者。
• 信号的处理可以不立即处理，而在合适的时候再处理。它有一个时间窗口，在这个时间窗口内，必须记住信号的到来。
• 尽管进程没有收到信号，它也要知道对合法信号的处理操作，这属于进程内置功能的一部分。

2、系统定义的信号列表

• 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。
• 编号34以下的信号为普通信号，编号34及以上的信号为实时信号。
• 信号 SIGKILL 和 SIGSTOP 无法被捕获或者忽略。

3、常见的信号处理方式

• SIG_IGN：忽略信号。
• SIG_DFL：执行信号的默认处理动作。
• 捕捉信号：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。

二、产生信号的方式

1、终端按键

（1）组合键

• Ctrl + c：信号2（SIGINT）。
• Ctrl + \：信号3（SIGQUIT）。

（2）示例代码

void handler(int signo)
{cout << "get a signo: " << signo << endl;
}int main()
{for(int i = 1; i <= 31; ++i){signal(i, handler);}while(true){cout << "I am a crazy process" << " pid = " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

（3）运行结果

2、调用系统函数

（1）kill命令

• 命令行输入：kill -signo pid

（2）kill函数

【1】函数

【2】描述

• kill函数，即系统调用，可用于向任何进程或进程组发送任何信号。
• 如果 pid 为正数，则将 sig 信号发送到 pid 指定的进程。
• 如果 pid 等于 0，则 sig 信号将发送到调用进程的进程组中的每个进程。
• 如果 pid 等于 -1，则 sig 信号将发送到调用进程有权发送信号的每个进程，但进程1（init）除外。
• 如果 pid 小于 -1，则 sig 将发送到进程组中 ID 为 -pid 的每个进程。
• 如果 sig 为 0，则不发送信号，但仍执行错误检查。这可用于检查进程 ID 或进程组 ID 是否存在。

（3）raise函数

【1】函数

【2】描述

• raise函数向调用进程或线程发送 sig 信号。
• 在单线程程序中，它等价于 kill(getpid(), sig);
• 在多线程程序中，它等价于 pthread_kill(pthread_self(), sig);
• 如果信号有自定义的处理函数，则raise函数只有在该函数返回后才会返回。

（4）abort函数

【1】函数

【2】描述

• abort函数首先取消 SIGABRT 信号的阻塞状态，然后为调用它的进程引发该信号。 而这会导致进程异常终止，除非 SIGABRT 信号被捕获并且信号处理程序（自定义的信号处理方法）没有返回。
• 如果abort函数导致进程终止，则关闭并刷新所有打开的流。
• 如果 SIGABRT 信号被忽略，或被返回的处理程序（自定义的信号处理方法）捕获，则 abort函数仍将终止进程。 它通过恢复 SIGABRT 的默认配置，然后再次引发该信号来实现此目的。

3、软件条件

（1）alarm函数

（2）描述

• alarm函数安排在seconds秒后将 SIGALRM 信号传送到调用进程。
• 如果秒数为零，则取消任何挂起的警报。
• 在任何情况下，任何先前用alarm函数设置的“闹钟”都会被取消。
• alarm函数的返回值为，如果没有先前安排的“闹钟”，则返回零；反之，返回距离任何先前安排的“闹钟”发出 SIGALRM 信号的剩余秒数。

（3）示例代码

void handler(int signo)
{cout << "get signo: " << signo << endl;unsigned int n = alarm(5);cout << "剩余时间：" << n << endl;
}int main()
{signal(SIGALRM, handler);alarm(50);while(true){cout << "this process pid: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

（4）运行结果

4、硬件异常

硬件异常被硬件以某种方式检测到并通知内核，然后内核向当前进程发送适当的信号。

三、阻塞信号

1、概念

• 信号递达（Delivery）：执行信号的处理动作。
• 信号未决（Pending）：信号从产生到递达之间的状态。
• 信号阻塞（Block）：被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞才能执行递达的动作，即只要信号被阻塞就不会递达。

2、信号在内核中的示意图

3、解释

• 标志位block是信号阻塞，标志位pending是信号未决，1表示设置，0表示未设置。函数指针表handler是信号的处理方法。
• 信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志（置1），直到信号递达才清除该标志（置0）。
• 在上方的图中，SIGHUP信号产生过，但是被阻塞了，所以暂时不能递达，当它递达时执行默认处理动作；SIGINT信号未产生过且被阻塞了，当产生SIGINT信号时，该信号将会被阻塞，即pending只将该信号的位置置为1而不会递达。它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号。因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。SIGQUIT信号未阻塞也未产生过，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。
• 在Linux中，常规信号在进程解除阻塞之前如果产生过多次，则在递达之前只计一次。而实时信号如果在递达之前产生过多次可以依次放在一个队列里，即实时信号的每一次产生都有效。

四、信号集

1、sigset_t

（1）定义

（2）应用

• 在标志位block和pending中，每个信号只有一个bit的标志，即非0即1，不会记录对应信号产生的次数。
• sigset_t：信号集，阻塞（block）和未决（pending）标志可以用它来存储，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态。
• 在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。
• 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字（Signal Mask）。

2、信号集操作函数

（1）函数

（2）描述

• sigemptyset：将 set 给出的信号集初始化为空，即将所有的信号都从集合中排除。
• sigfillset：将 set 初始化为 full，即将所有信号都设置在内。
• sigaddset：添加 set 中signum对应的信号。
• sigdelset：删除 set 中signum对应的信号。
• sigismember：测试 signum 是否是 set 的成员，即测试 signum 是否在set 中。
• sigset_t 类型的对象必须通过调用 sigemptyset 或 sigfillset 进行初始化，然后才能传递给函数 sigaddset、sigdelset和 sigismember；或者下面描述的其他 glibc 函数（sigisemptyset()、sigandset() 和 sigorset()）。 如果不这样做，结果是未定义的。

（3）返回值

• sigemptyset、sigfillset、sigaddset 和 sigdelset 成功时返回 0，错误时返回 -1。
• 对于sigismember来说，如果 signum 是 set 的成员，则返回 1，如果 signum 不是 set 的成员，则返回 0，错误时返回 -1。
• 出错时，这些函数会设置 errno 以指示原因。

3、sigprocmask函数

（1）函数

（2）描述

• sigprocmask函数用于获取和/或更改调用线程的信号掩码。
• sigprocmask函数调用的行为取决于 how 的值。
• 如果 oldset 为非 NULL，则信号掩码的上一个值将存储在 oldset 中。
• 如果 set 为 NULL，则信号掩码保持不变（即忽略 how），但信号掩码的当前值仍通过 oldset 返回（如果它不是 NULL）。

（3）参数how的有效值

• SIG_BLOCK：阻塞信号集将被设置为当前信号集和参数 set 的并集，即将 set 中包含的信号都阻塞。
• SIG_UNBLOCK：参数 set 集合中的信号将从当前受阻信号集中移除，即 set 中包含的信号将被设置为不阻塞。 允许尝试解锁未被阻塞的信号。
• SIG_SETMASK：将阻塞信号集的内容设置为参数 set 的内容。

4、sigpending函数

（1）函数

（2）描述

• sigpending函数返回等待传送到调用线程的信号集（即在被阻塞时引发的信号）。
• 挂起信号的掩码在参数set中返回。

5、示例代码

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
using namespace std;void PrintSignal(const sigset_t& pending)
{for(int i = 31; i >= 1; --i){if(sigismember(&pending, i))cout << "1";elsecout << "0";}cout << "\n" << endl;
}int main()
{sigset_t bset, oset;sigemptyset(&bset);sigemptyset(&oset);for(int i = 1; i <= 31; ++i){sigaddset(&bset, i);}sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oset);sigset_t pending;sigemptyset(&pending);while(true){int ret = sigpending(&pending);if(ret == -1)continue;PrintSignal(pending);sleep(1);}return 0;
}

五、信号捕捉

1、捕捉信号

（1）概念

• 如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数。
• 当我们的进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号的检测和处理。

（2）过程示意图

2、signal函数

（1）函数

（2）描述

• signal函数的行为在 UNIX 版本中各不相同，在不同版本的 Linux 中也存在差异。
• signal函数将 signum 信号的处置（处理方法）设置为处理程序handler，该处理程序是SIG_IGN、SIG_DFL或自定义函数（handler）的地址。
• 如果 signum 信号被传送到进程，则会发生以下情况之一。如果处置（处理方法）设置为 SIG_IGN，则忽略该信号；如果处置设置为 SIG_DFL，则发生与该信号关联的默认操作；如果处置设置为自定义函数（handler），则首先将处置重置为 SIG_DFL，或者信号被阻止，然后使用参数 signum 调用处理程序（handler）。 如果调用处理程序导致信号被阻塞，则信号在从句柄（handler）返回时被解除阻塞。
• signal函数返回值为，当调用成功时，返回信号处理程序的上一个值，失败则返回SIG_ERR，并设置errno，用来指示错误原因。

3、sigaction函数

（1）函数

（2）描述

• sigaction系统调用用于更改进程在接收到特定信号时所采取的操作。
• signum：指定信号，可以是除 SIGKILL 和 SIGSTOP 之外的任何有效信号。
• 如果 act 为非 NULL，则signum信号的处理操作设置为 act 中sa_handler设定的操作。 如果 oldact 为非NULL，则signum信号的上一个处理操作保存在 oldact 中。
• 在某些涉及联合体的体系结构中，不要同时分配（设置）给sa_handler和sa_sigaction。
• sa_restorer：元素已过时，不应使用。 POSIX 未指定 sa_restorer 元素。
• sa_handler：指定要与 signum 关联的操作，可以设置为SIG_DFL默认操作、SIG_IGN忽略操作或指向信号处理函数的指针，此函数接收信号编号作为其唯一参数。通过用自定义函数就可以用同一个函数处理多种信号，即它是一个回调函数，不过不是被main函数调用，而是被系统所调用。
• sa_mask：指定在执行信号处理程序期间应阻止的信号掩码（即添加执行信号到调用信号处理程序的线程的信号掩码中），除了当前信号被自动屏蔽之外，也可以通过设置它来自动屏蔽另外一些信号。 此外，触发处理程序的信号将被阻止，除非使用 SA_NODEFER 标志。
• 当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理函数执行结束为止。

4、可重入函数

（1）概念

• 如果一个函数，被重复进入的情况下，出错或者可能出错，则为不可重入函数。反之，为可重入函数。

六、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。
• 父进程自定义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。当子进程终止时会通知父进程，然后父进程在信号处理函数中调用wait相关函数清理子进程，这是解决僵尸问题的一种方法，前提是父进程不提前退出。
• 父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作设置为SIG_IGN。这样用fork函数创建出来的子进程在终止时会被自动清理掉，而不会产生僵尸进程和通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的。但这是一个特例，此方法对于Linux可用，但不保证在其它类UNIX系统上都可用。

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