Linux:信号：基础

第四章 信号：基础

4.1 基本概念

信号是事件发生时对进程的通知机制，也可以把它称为软件中断。信号与硬件中断的相似之处在于能够打断程序当前执行的正常流程，大多数情况下，是无法预测信号达到的准确时间。
信号的目的是用来通信的
一个具有合适权限的进程能够向另一个进程发送信号，是进程间通信（IPC）的原始形式。信号可以由“谁”发出？
⚫ 硬件发生异常，即硬件检测到错误条件并通知内核，再由内核发送相应的信号给相关进程。硬件检测到异常的包括执行异常的机器语言指令，诸如，除数为 0、数组访问越界导致引用了无法访问的内存区域等，这些异常情况都会被硬件检测到，并通知内核、然后内核为该异常情况发生时正在运行的进程发送适当的信号以通知进程。
⚫ 用于在终端下输入了能够产生信号的特殊字符。譬如在终端上按下 CTRL + C 组合按键可以产生中断信号（SIGINT），通过这个方法可以终止在前台运行的进程；按下 CTRL + Z 组合按键可以产生暂停信号（SIGCONT），通过这个方法可以暂停当前前台运行的进程。
⚫ 进程调用 kill()系统调用可将任意信号发送给另一个进程或进程组。当然对此是有所限制的，接收信号的进程和发送信号的进程的所有者必须相同，亦或者发送信号的进程的所有者是 root 超级用户。
⚫ 用户可以通过 kill 命令将信号发送给其它进程。kill 命令想必大家都会使用，通常我们会通过 kill命令来“杀死”（终止）一个进程，譬如在终端下执行"kill -9 xxx"来杀死 PID 为 xxx 的进程。kill命令其内部的实现原理便是通过 kill()系统调用来完成的。
⚫ 发生了软件事件，即当检测到某种软件条件已经发生。这里指的不是硬件产生的条件（如除数为 0、引用无法访问的内存区域等），而是软件的触发条件、触发了某种软件条件（进程所设置的定时器已经超时、进程执行的 CPU 时间超限、进程的某个子进程退出等等情况）。
信号由谁处理、怎么处理
信号通常是发送给对应的进程，当信号到达后，该进程需要做出相应的处理措施，通常进程会视具体信号执行以下操作之一：
⚫ 忽略信号。也就是说，当信号到达进程后，该进程并不会去理会它、直接忽略，就好像是没有出该信号，信号对该进程不会产生任何影响。事实上，大多数信号都可以使用这种方式进行处理，但有两种信号却决不能被忽略，它们是 SIGKILL 和 SIGSTOP，这两种信号不能被忽略的原因是：它们向内核和超级用户提供了使进程终止或停止的可靠方法。另外，如果忽略某些由硬件异常产生的信号，则进程的运行行为是未定义的。
⚫ 捕获信号。当信号到达进程后，执行预先绑定好的信号处理函数。为了做到这一点，要通知内核在某种信号发生时，执行用户自定义的处理函数，该处理函数中将会对该信号事件作出相应的处理，Linux 系统提供了 signal()系统调用可用于注册信号的处理函数。
⚫ 执行系统默认操作。进程不对该信号事件作出处理，而是交由系统进行处理，每一种信号都会有其对应的系统默认的处理方式，对大多数信号来说，系统默认的处理方式就是终止该进程。
信号是异步的
信号是异步事件的经典实例，产生信号的事件对进程而言是随机出现的，进程无法预测该事件产生的准确时间，进程不能够通过简单地测试一个变量或使用系统调用来判断是否产生了一个信号，这就如同硬件中断事件，程序是无法得知中断事件产生的具体时间，只有当产生中断事件时，才会告知程序、然后打断当前程序的正常执行流程、跳转去执行中断服务函数，这就是异步处理方式。
信号本质上是 int 类型数字编号
信号本质上是 int 类型的数字编号，这就好比硬件中断所对应的中断号。内核针对每个信号，都给其定义了一个唯一的整数编号，从数字 1 开始顺序展开。并且每一个信号都有其对应的名字（其实就是一个宏），信号名字与信号编号乃是一一对应关系，但是由于每个信号的实际编号随着系统的不同可能会不一样，所以在程序当中一般都使用信号的符号名（也就是宏定义）。

4.2 信号的分类

Linux 系统对信号从两个不同的角度进行分类，从可靠性方面将信号分为可靠信号与不可靠信号；而从实时性方面将信号分为实时信号与非实时信号。

4.2.1 可靠信号与不可靠信号

Linux 的不可靠信号问题指的是信号可能丢失。在 Linux 系统下，信号值小于 SIGRTMIN（34）的信号都是不可靠信号，这就是"不可靠信号"的来源。可靠信号支持排队，不会丢失。

4.2.2 实时信号与非实时信号

实时信号与非实时信号其实是从时间关系上进行的分类，与可靠信号与不可靠信号是相互对应的，非实时信号都不支持排队，都是不可靠信号；实时信号都支持排队，都是可靠信号。实时信号保证发送的多个信号都能被接收。
一般我们也把非实时信号（不可靠信号）称为标准信号。

4.3 进程对信号的处理

当进程接收到内核或用户发送过来的信号之后，根据具体信号可以采取不同的处理方式：忽略信号、捕获信号或者执行系统默认操作。Linux 系统提供了系统调用 sigaction()函数用于设置信号的处理方式。

4.3.1 sigaction()函数

sigaction()允许单独获取信号的处理函数而不是设置，还可以设置各种属性对调用信号处理函数时的行为施以更加精准的控制，其函数原型如下所示：

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

signum：需要设置的信号，除了 SIGKILL 信号和 SIGSTOP 信号之外的任何信号。
act：act 参数是一个 struct sigaction 类型指针，指向一个 struct sigaction 数据结构，该数据结构描述了信号的处理方式，稍后介绍该数据结构；如果参数 act 不为 NULL，则表示需要为信号设置新的处理方式；如果参数 act 为 NULL，则表示无需改变信号当前的处理方式。
oldact：oldact 参数也是一个 struct sigaction 类型指针，指向一个 struct sigaction 数据结构。如果参数oldact 不为 NULL，则会将信号之前的处理方式等信息通过参数 oldact 返回出来；如果无意获取此类信息，那么可将该参数设置为 NULL。
返回值：成功返回 0；失败将返回-1，并设置 errno。

struct sigaction {
   
 void (*sa_handler)(int);
 void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
 sigset_t sa_mask;
 int sa_flags;
 void (*sa_restorer)(void);
};

结构体成员介绍：
⚫ sa_handler：指定信号处理函数，与 signal()函数的 handler 参数相同。
⚫ sa_mask：参数 sa_mask 定义了一组信号，当进程在执行由 sa_handler 所定义的信号处理函数之前，会先将这组信号添加到进程的信号掩码字段中，当进程执行完处理函数之后再恢复信号掩码，将这组信号从信号掩码字段中删除。当进程在执行信号处理函数期间，可能又收到了同样的信号或其它信号，从而打断当前信号处理函数的执行，这就好点像中断嵌套；通常我们在执行信号处理函数期间不希望被另一个信号所打断，那么怎么做呢？那么就是通过信号掩码来实现，如果进程接收到了信号掩码中的这些信号，那么这个信号将会被阻塞暂时不能得到处理，直到这些信号从进程的信号掩码中移除。在信号处理函数调用时，进程会自动将当前处理的信号添加到信号掩码字段中，这样保证了在处理一个给定的信号时，如果此信号再次发生，那么它将会被阻塞。如果用户还需要在阻塞其它的信号，则可以通过设置参数 sa_mask 来完成。
⚫ sa_flags：参数 sa_flags 指定了一组标志，这些标志用于控制信号的处理过程。具体标志请查询某度。
测试 test1
这里使用 sigaction()函数进行测试。

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

static void sig_handler(int sig) {
   
 printf("Received signal: %d\n", sig);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
   
 struct sigaction sig = {
   0};
 int ret;
 sig.sa_handler = sig_handler;
 sig.sa_flags = 0;
 ret = sigaction(SIGINT, &sig, NULL);
 if (-1 == ret) {
   
 perror("sigaction error");
 exit(-1);
 }
 /* 死循环 */
 for ( ; ; ) {
    }
 exit(0);
}

运行测试：

关于信号处理函数说明
一般而言，将信号处理函数设计越简单越好，这就好比中断处理函数，越快越好，不要在处理函数中做大量消耗 CPU 时间的事情，这一个重要的原因在于，设计的越简单这将降低引发信号竞争条件的风险。

4.4 向进程发送信号

与 kill 命令相类似，Linux 系统提供了 kill()系统调用，一个进程可通过 kill()向另一个进程发送信号；
kill()系统调用可将信号发送给指定的进程或进程组中的每一个进程，其函数原型如下所示：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

函数参数和返回值含义如下：
pid：参数 pid 为正数的情况下，用于指定接收此信号的进程 pid；
sig：参数 sig 指定需要发送的信号，也可设置为 0，如果参数 sig 设置为 0 则表示不发送信号。
进程中将信号发送给另一个进程是需要权限的，并不是可以随便给任何一个进程发送信号，超级用户root 进程可以将信号发送给任何进程，但对于非超级用户（普通用户）进程来说，其基本规则是发送者进程的实际用户 ID 或有效用户 ID 必须等于接收者进程的实际用户 ID 或有效用户 ID。
测试
使用 kill()函数向一个指定的进程发送信号。

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