信号的基础知识

目录

发送信号

信号处理方式 

Linux信号

中断系统调用

信号函数 

signal系统调用 

sigaction系统调用 

信号集 

信号集函数 

 进程信号掩码

被挂起的信号 

网络编程相关信号 

SIGHUP 

SIGPIPE 

SIGURG 

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Linux信号可由如下条件产生：

• 对于前台进程，用户可以通过输入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，“kill -l”可以列出系统中的所有信号。“kill -SIGTERM 进程号”来发送信号给特定的进程

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

#include<sys/types.h>

#include<signal.h>

int kill(pid_t pid , int sig);

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表所示。

pid参数	含义
pid>0	信号发送给PID为pid的进程
pid=0	信号发送给本进程组内的其他进程
pid= -1	信号发送给除init进程外的所有进程，但发送者需要拥有对目标进程发送信号的权限
pid< -1	信号发送给组ID为-pid的进程组中的所有成员

Linux定义的信号都大于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errno。几种可能的errno如表所示：

errno	含义
EINVAL	无效的信号
EPERM	该进程没有权限发送信号给任何一个目标进程
ESRCH	目标进程或进程组不存在

raise()函数

raise()函数主要用于将信号发送给当前进程：

#include<signal.h>

int raise(int sig);

sig为发送信号类型的编号

alarm()函数

alarm()函数主要用于为发送的信号设定一个时间警告，使系统在设定的时间之后发送信号：

#include<unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds); 

参数seconds为设定的时间值。如果seconds设置为0值，那么alarm()函数设置的警告时钟将无效。alarm()函数安排在second

时间之后，发送一个信号SIGALRM给进程。默认情况下，进程收到SIGALRM信号会终止运行。

信号处理方式 

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：

#include<signal.h>

typedef void (*__sighandler_t) (int);

信号处理函数只带有一个整形参数，该参数用来指示信号类型。信号处理函数应该是可重入的，否则很容易引发一些竞态条件。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方式——SIG_IGN和SIG_DEL：

#include<bits/signum.h>

#define SIG_DFL((__sighandler_t) 0)

#define SIG_IGN((__sighandler_t) 1)

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

信号	起源	默认行为	含义
SIGHUP	POSIX	Term	控制终端挂起
SIGINT	ANSI	Term	键盘输入以中断进程（Ctrl+C）
SIGQUIT	POSIX	Core	键盘输入使进程退出（Ctrl+\）
SIGILL	ANSI	Core	非法指令
SIGTRAP	POSIX	Core	断点陷阱，用于调试
SIGABRT	ANSI	Core	进程调用abort函数时生成该信号
SIGIOT	4.2BSD	Core	和SIGABRT相同
SIGBUS	4.2BSD	Core	总线错误，错误内存访问
SIGFPE	ANSI	Core	浮点异常
SIGKILL	POSIX	Term	终止一个进程。该信号不可被捕获或者忽略
SIGUSR1	POSIX	Term	用户自定义信号之一
SIGSEGV	ANSI	Core	非法内存段引用
SIGUSR2	POSIX	Term	用户自定义信号之二
SIGPIPE	POSIX	Term	往读端被关闭的管道或者socket连接中写数据
SIGALRM	POSIX	Term	由alarm或setitimer设置的实时闹钟超时引起
SIGTERM	POSIX	Term	终止进程。kill命令默认发送的信号就是SIGTERM
SIGSTKFLT	Linux	Term	早期的Linux使用该信号来报告数学协处理器栈错误
SIGCLD	System V	Ign	和SIGCHLD相同
SIGCHLD	POSIX	Ign	子进程状态发生变化（退出或者暂停）
SIGCONT	POSIX	Cont	启动被暂停的进程（Ctrl+Q）。如果目标进程未处于暂停状态，则信号被忽略
SIGSTOP	POSIX	Stop	暂停进程（Ctrl+S）。该信号不可被捕获或者忽略。
SIGSTP	POSIC	Stop	挂起进程（Ctrl+Z）
SIGTTIN	POSIX	Stop	后台进程试图从终端读取输入
SIGTTOU	POSIX	Stop	后台进程试图往终端输出内容
SIGURG	4.2BSD	Ign	socket连接上接收到紧急数据
SIGXCPU	4.2BSD	Core	进程CPU使用时间超过其软限制
SIGXFSZ	4.2BSD	Core	文件尺寸超过其软限制
SIGVTALRM	4.2BSD	Term	与SIGALRM类似，不过它只统计本进程用户空间代码的运行时间
SIGPROF	4.2BSD	Term	与SIGALRM类似，它同时统计用户代码和内核的运行时间
SIGWINCH	4.3BSD	Ign	终端窗口大小发生变化
SIGPOLL	System V	Term	与SIGIO类似
SIGIO	4.2BSD	Term	IO就绪，比如socket上发生可读、可写事件。因为TCP服务器可触发SIGIO的条件很多，故而SIGIO无法在TCP服务器中使用。SIGIO信号可用在UDP服务器中，不过也非常少见
SIGPWR	System V	Term	对于使用UPS（Uninterruptable Power Supply）的系统，当电池电量过低时，SIGPWR信号将被触发
SIGSYS	POSIX	Core	非法系统调用
SIGUNUSED		Core	保留，通常和SIGSYS效果相同

我们并不需要在代码中处理所有这些信号。本章后面将重点介绍与网络编程关系紧密的几个信号：SIGHUP、SIGPIPE和SIGURG。

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系统调用 

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>

_sighandler_t   signal(int sig , _sighandler_t _handler)

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函数时传入的函数指针，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）。

signal系统调用出错时返回SIG_ERR，并设置errno。 

sigaction系统调用 

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>

int sigaction(int sig , const struct sigaction* act , struct sigaction* oact);

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：

struct sigaction
{
#ifdef __USE_POSIX199309
    union
{
    _sighandler_t sa_handler;
    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
    _sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};

 该结构体中sa_handler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。关于信号集，我们将在后面介绍。sa_flags成员将用于设置程序收到信号时的行为，其可选值如表所示：

选项	含义
SA_NOCLDSTOP	如果sigaction的sig参数是SIGCHLD，则设置该标志标志表示子进程暂停时不生成SIGCHLD信号。
SA_NOCLDWAIT	如果sigaction的sig参数是SIGCHLD,则设置该标志表示子进程结束时不产生僵尸进程。
SA_SIGINFO	使用sa_sigaction作为信号处理函数（而不是默认的sa_handler）它给进程提供更多相关的信息
SA_ONSTACK	调用sigaltstack函数设置的可选信号栈上的信号处理函数
SA_RESTART	重新调用被该信号终止的系统调用
SA_NODEFER	当接收到信号并进入其信号处理函数时，不屏蔽该信号。默认情况下，我们期望进程在处理一个信号时不再接收到同种吸纳后，否则将引起一些竞态条件
SA_RESETHAND	信号处理函数执行完以后，恢复信号的默认处理方式
SA_INTERRUPT	中断系统调用
SA_NOMASK	同SA_NODEFER
SA_ONESHOT	同SA_RESETHAND
SA_STACK	同SA_ONSTACK

sa_restore成员已经过时，最好不要使用。sigaction成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。

信号集 

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/signal.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，每个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 sigfillset(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>

int sigprocmask(int how , _const sigset_t* _set , sigset_t* _oset);

_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：

_how参数	含义
SIG_BLOCK	新的进程信号掩码是当前值和_set指定信号集的并集
SIG_UNBLOCK	新的进程信号掩码是其当前值和~_set信号集的交集，因此_set指定的信号集将不被屏蔽
SIG_SETMASK	直接将进程信号掩码设置为_set

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

sigprocmask成功时返回0，失败则返回-1并设置errno 

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一个被挂起的信号。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。

#include<signal.h>

int sigpending(sigset_t* set);

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函数也只能反映一次。并且，当我们再次使用sigprocmask使能该被挂起的信号时，该信号的处理函数也只能被触发一次。

sigpending成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno。 

sigsuspend()函数

sigsuspend()函数主要是等待一个信号的到来，即将当前进程挂起：

#include<signal.h>

int sigsuspend(const sigset_t* mask);

参数mask是一个sigset_t结构体类型的指针，指向一个信号集。当函数sigsuspend()被调用时，参数mask所指向的信号集中的信号被复制给信号掩码。随后，进程会被挂起，，直到信号被捕捉到，执行信号相应的处理方法返回时，该函数才会返回。此时，信号掩码恢复为函数调用前的值 

网络编程相关信号 

SIGHUP 

当挂起进程的控制终端时，SIGHUP信号将被触发。对于没有控制终端的网络后台程序而言，它们通常利用SIGHUP信号来强制服务器重读配置文件。

SIGPIPE 

默认情况下，往一个读端关闭的管道或socket连接中写数据将引发SIGPIPE信号。我们需要在代码中捕获并处理该信号，或者至少忽略它，因为程序接收到SIGPIPE信号的默认行为时结束进程，而我们绝对不希望因为错误的写操作而导致程序退出。引起SIGPIPE信号的写操作将设置errno为EPIPE。

SIGURG 

在Linux环境下，内核通知应用程序带外数据到达主要有两种方法，一种是I/O复用技术，select等系统调用在接收到带外数据时将返回，并向应用程序报告socket上的异常事件。另一种方法就是使用SIGURG信号。