Linux信号

信号的概念

信号在我们的生活中随处可见， 如：古代战争中摔杯为号；现代战争中的信号弹；体育比赛中使用的信号枪......他们都有共性：1. 简单 2. 不能携带大量信息 3. 满足某个特设条件才发送。

信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式， 现在依然是主要的通信手段。

Unix早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T都对信号模型做了更改，增加了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1对可靠信号例程进行了标准化。

信号的机制

A给B发送信号，B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断，早期常被称为“软中断”。

信号的特质：由于信号是通过软件方法实现，其实现手段导致信号有很强的延时性。但对于用户来说，这个延迟时间非常短，不易察觉。

每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的，内核处理。

与信号相关的事件和状态

• 产生信号:

1. 按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\

2. 系统调用产生，如：kill、raise、abort

3. 软件条件产生，如：定时器alarm4. 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)

5. 命令产生，如：kill命令

• 递达：递送并且到达进程。

• 未决：产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。

• 信号的处理方式: 

1. 执行默认动作

2. 忽略(丢弃) 

3. 捕捉(调用户处理函数)

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，对他们设置屏蔽，当屏蔽x信号后，再收到该信号，该信号的处理将推后(解除屏蔽后)

未决信号集:

1. 信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1，表信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻转回为0。这一时刻往往非常短暂。

2. 信号产生后由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态。    

信号的编号

可以使用kill –l命令查看当前系统可使用的信号有哪些。

不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为实时信号，驱动编程与硬件相关。名字上区别不大。而前32个名字各不相同。

信号4要素

与变量三要素类似的，每个信号也有其必备4要素，分别是：1. 编号 2. 名称 3. 事件 4. 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

在标准信号中，有一些信号是有三个“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。

不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在Unix系统内，也出现在Linux中，而有的信号出现在FreeBSD或Mac OS中却没有出现在Linux下。这里我们只研究Linux系统中的信号。

 默认动作：

Term：终止进程

Ign： 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)

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

注意从man 7 signal帮助文档中可看到 : The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored.

9) SIGKILL 和19) SIGSTOP信号，不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。

另外需清楚，只有每个信号所对应的事件发生了，该信号才会被递送(但不一定递达)，不应乱发信号。

Linux常规信号一览表

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：子进程结束时，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。

20) SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。按下<ctrl+z>组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。

21) SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。

22) SIGTTOU: 该信号类似于SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。

23) SIGURG：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出些信号，报告有紧急数据到达。如网络带外数据到达，默认动作为忽略该信号。

24) SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间 ，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。

25) SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。

26) SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。

27) SGIPROF：类似于SIGVTALRM，它不公包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。

28) SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。

29) SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。

30) SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。

31) SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。

34) SIGRTMIN ～ (64) SIGRTMAX：LINUX的实时信号，它们没有固定的含义（可以由用户自定义）。所有的实时信号的默认动作都为终止进程。

信号的产生

终端按键产生信号

Ctrl + c  → 2) SIGINT（终止/中断）  "INT" ----Interrupt

Ctrl + z  → 20) SIGTSTP（暂停/停止）  "T" ----Terminal 终端。

Ctrl + \  → 3) SIGQUIT（退出）

硬件异常产生信号

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/命令产生信号

kill命令产生信号：kill -SIGKILL pid

kill函数：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

int kill(pid_t pid, int sig);  成功：0；失败：-1 (ID非法，信号非法，普通用户杀init进程等权级问题)，设置errno

sig：不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。

pid > 0:  发送信号给指定的进程。

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:  取|pid|发给对应进程组。

pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。

进程组：每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程集合，他们相互关联，共同完成一个实体任务，每个进程组都有一个进程组长，默认进程组ID与进程组长ID相同。

权限保护：super用户(root)可以发送信号给任意用户，普通用户是不能向系统用户发送信号的。 kill -9 (root用户的pid)  是不可以的。同样，普通用户也不能向其他普通用户发送信号，终止其进程。 只能向自己创建的进程发送信号。普通用户基本规则是：发送者实际或有效用户ID == 接收者实际或有效用户ID

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <signal.h>

//循环创建5个子进程，任一子进程用kill函数终止其父进程。

int main(int argc, char **argv)
{
    int i;
    pid_t pid;

    for (i=0; i<5; i++)
    {
        pid = fork();
        if (pid == 0)
            break;
    }

    if (i == 2)
    {
        printf("子进程，将通过kill终止父进程\n");
        sleep(6);
        kill(getppid(), SIGKILL);
        while (1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    else if (i==5)
    {
        while (1)
        {
            printf("父进程。。。、\n");
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}

raise和abort函数产生信号

raise 函数：给当前进程发送指定信号(自己给自己发) raise(signo) == kill(getpid(), signo);

int raise(int sig); 成功：0，失败非0值

abort 函数：给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT 信号，终止并产生core文件

void abort(void); 该函数无返回

软件条件产生信号

alarm函数

设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。

每个进程都有且只有唯一个定时器。

unsigned int alarm(unsigned int seconds); 返回0或剩余的秒数，无失败。

常用：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。

例：alarm(5) → 3sec → alarm(4) → 5sec → alarm(5) → alarm(0)

定时，与进程状态无关(自然定时法)！就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸...无论进程处于何种状态，alarm都计时。

使用time命令查看程序执行的时间。 程序运行的瓶颈在于IO，优化程序，首选优化IO。

实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间

setitimer函数

设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us，可以实现周期定时。 

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value); 成功：0；失败：-1，设置errno

参数：which：指定定时方式

① 自然定时：ITIMER_REAL → 14）SIGLARM   计算自然时间

② 虚拟空间计时(用户空间)：ITIMER_VIRTUAL → 26）SIGVTALRM    只计算进程占用cpu的时间

③ 运行时计时(用户+内核)：ITIMER_PROF → 27）SIGPROF  计算占用cpu及执行系统调用的时间

it_interval：用来设定两次定时任务之间间隔的时间。

it_value：定时的时长

两个参数都设置为0，即清0操作。

 struct itimerval {
               struct timeval it_interval; /* 周期性的时间设置 Interval for periodic timer */
               struct timeval it_value;    /* 下次的闹钟到来的时间 Time until next expiration */
            };

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void catchsig(int num)
{
    printf("捕获信号%d\n", num);
}

int main(int argc, char**argv)
{
    //第一次等待5s,之后每隔3秒一次
    struct itimerval myit = { {3,0} , {5,0} };

    signal(SIGALRM, catchsig);

    setitimer(ITIMER_REAL, &myit, NULL);

    while (1)
    {
        printf("等待1秒\n");
        sleep(1);
    }

    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应被处理。信号屏蔽字mask可以影响未决信号集。而我们可以在应用程序中自定义set来改变mask。已达到屏蔽指定信号的目的。

信号集设定

sigset_t  set;     typedef unsigned long sigset_t;     

int sigemptyset(sigset_t *set);

将某个信号集清0   成功：0；失败：-1

int sigfillset(sigset_t *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。对比认知select 函数。

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)

严格注意，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。

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset); 成功：0；失败：-1，设置errno

参数：

set：传入参数，是一个位图，set中哪位置1，就表示当前进程屏蔽哪个信号。

oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽集。

how参数取值： 假设当前的信号屏蔽字为mask

1. SIG_BLOCK: 当how设置为此值，set表示需要屏蔽的信号。相当于 mask = mask|set
2. SIG_UNBLOCK: 当how设置为此，set表示需要解除屏蔽的信号。相当于 mask = mask & ~set
3. SIG_SETMASK: 当how设置为此，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。

sigpending函数

读取当前进程的未决信号集

int sigpending(sigset_t *set); set传出参数。   返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

//把所有常规信号的未决状态打印出来，9信号屏蔽不了

int main(int argc, char **argv)
{
    sigset_t set, sigpend;
    sigemptyset(&set);//清空位图
    sigaddset(&set, SIGINT);//ctrl+c
    sigaddset(&set, SIGKILL);//kill -9
    sigaddset(&set, SIGQUIT);//ctrl+"\"

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

    printf("屏蔽信号集");
    for (int i=1; i<32; i++)
    {
        if (sigismember(&set, i))
        {
            printf("1");
        }
        else
        {
            printf("0");
        }
    }
    printf("\n");
    printf("未决信号集\n");
    while (1)
    {
        //获取当前未决信号
        sigpending(&sigpend);
        for (int i=1; i<32; i++)
        {
            if (sigismember(&sigpend, i))
            {
                printf("1");
            }
            else
            {
                printf("0");
            }
        }
        printf("\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

 

信号捕捉

signal函数

注册一个信号捕捉函数：

typedef void (*sighandler_t)(int);  

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

该函数由ANSI定义，由于历史原因在不同版本的Unix和不同版本的Linux中可能有不同的行为。因此应该尽量避免使用它，取而代之使用sigaction函数。

void (*signal(int signum, void (*sighandler_t)(int))) (int);

sigaction函数

修改信号处理动作（通常在Linux用其来注册一个信号的捕捉函数）

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);  成功：0；失败：-1，设置errno

参数：

act：传入参数，新的处理方式。

oldact：传出参数，旧的处理方式。 

struct sigaction结构体

    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_restorer：该元素是过时的，不应该使用，POSIX.1标准将不指定该元素。(弃用)

sa_sigaction：当sa_flags被指定为SA_SIGINFO标志时，使用该信号处理程序。(很少使用)  

重点掌握：

• sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为SIG_IGN表忽略 或 SIG_DFL表执行默认动作
• 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。

信号捕捉特性

• 进程正常运行时，默认PCB中有一个信号屏蔽字，假定/为☆，它决定了进程自动屏蔽哪些信号。当注册了某个信号捕捉函数，捕捉到该信号以后，要调用该函数。而该函数有可能执行很长时间，在这期间所屏蔽的信号不由☆来指定。而是用sa_mask来指定。调用完信号处理函数，再恢复为☆。
• XXX信号捕捉函数执行期间，XXX信号自动被屏蔽。
• 阻塞的常规信号不支持排队，产生多次只记录一次。（后32个实时信号支持排队）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void catch_sig(int num)
{
    printf("begin catch signal %d\n", num);
    sleep(5);
    printf("end catch signal %d\n", num);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    //测试当有多次ctrl+c信号来时，如果信号还未处理完成，该信号只处理一次
    struct sigaction act;
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = catch_sig;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    //在处理ctrl+c信号的时候,屏蔽ctrl+"\"信号，当处理完成之后再处理ctrl+"\"信号
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT);
    sigaction(SIGINT,&act, NULL);

    while (1)
    {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

内核实现信号捕捉过程

SIGCHLD信号

SIGCHLD的产生条件

子进程终止时

子进程接收到SIGSTOP信号停止时

子进程处在停止态，接受到SIGCONT后唤醒时

借助SIGCHLD信号回收子进程

子进程结束运行，其父进程会收到SIGCHLD信号。该信号的默认处理动作是忽略。可以捕捉该信号，在捕捉函数中完成子进程状态的回收。

子进程结束status处理方式

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)

options

WNOHANG

没有子进程结束，立即返回

WUNTRACED

如果子进程由于被停止产生的SIGCHLD，waitpid则立即返回

WCONTINUED

如果子进程由于被SIGCONT唤醒而产生的SIGCHLD，waitpid则立即返回

获取status

WIFEXITED(status)

子进程正常exit终止，返回真

WEXITSTATUS(status)返回子进程正常退出值

WIFSIGNALED(status)

子进程被信号终止，返回真

WTERMSIG(status)返回终止子进程的信号值

WIFSTOPPED(status)

子进程被停止，返回真

WSTOPSIG(status)返回停止子进程的信号值

WIFCONTINUED(status)

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，但子进程没有继承未决信号集spending。
• 注意注册信号捕捉函数的位置。
• 应该在fork之前，阻塞SIGCHLD信号。注册完捕捉函数后解除阻塞。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

//这个会有小问题，当waitpid返回值<0时表明没有子进程可回收了
void catch_child(int num)
{
    pid_t wpid;

    wpid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
    printf("child pid=%d is die\n", wpid);

}

void catch_child2(int num)
{
    pid_t wpid;

    while ((wpid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG))>0)
    {
        printf("child pid=%d is die\n", wpid);
    }
}

int main(int argc, char **argv)
{
    //通过信号处理子进程回收
    int i;
    pid_t pid;

    //为了防止子进程在父进程注册信号处理函数之前就已经退出的情况
    //则需要在注册信号函数之前需要先屏蔽SIGCHLD信号
    //注册完之后，在取消屏蔽
    sigset_t maskset,oldset;
    sigemptyset(&maskset);
    sigaddset(&maskset, SIGCHLD);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &maskset, &oldset);

    for (i=0; i<10; i++)
    {
        pid = fork();
        if (pid == 0)
            break;
    }
    if (i==10)
    {
        sleep(4);//子进程已经全部结束了
        struct sigaction act;
        act.sa_flags = 0;
        act.sa_handler = catch_child2;
        sigemptyset(&act.sa_mask);

        sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);

        //注册完信号处理后取消恢复oldset
        sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, NULL);
        //父进程
        while (1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    else if (i<10)
    {
        //子进程
        printf("子进程%d,pid=%d\n", i, getpid());
        //sleep(i);
    }
    return 0;
}