Linux应用进程间通信六（信号）-优快云博客

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Linux应用进程间通信六（信号）

一、概述

1.1、信号的概念

　　信号是UNIX和Linux系统响应某些条件而产生的一个事件，接收到该信号的进程会相应地采取一些行动。通常信号是由一个错误产生的。但它们还可以作为进程间通信或修改行为的一种方式，明确地由一个进程发送给另一个进程。一个信号的产生叫生成，接收到一个信号叫捕获。

　　1）信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式

　　2）信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互，内核进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。

　　3）如果该进程当前并未处于执行态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢复执行再传递给它；如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

1.2、用户进程对信号的响应方式

　　1）忽略信号：对信号不做任何处理，但是有两个信号不能忽略：即SIGKILL及SIGSTOP。

　　2）捕捉信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数。

　　3）执行缺省操作：Linux对每种信号都规定了默认操作

1.3、信号的来源

在Linux操作系统中，信号可以由多种来源产生，包括但不限于：

用户操作：用户可以通过键盘产生信号，如按下Ctrl+C通常发送SIGINT（中断信号）。
软件生成：程序可以通过kill系统调用或raise函数发送信号给其他进程或自身。
硬件异常：当程序执行非法操作（如除零、内存访问违规）时，硬件会触发信号，如SIGFPE（浮点异常）或SIGSEGV（段错误）。
系统条件：系统在特定条件下也会发送信号，如SIGHUP（挂起信号）可能在控制终端关闭时发送。
定时器超时：使用alarm、setitimer或timer等定时器函数设置的定时器超时后，会发送如SIGALRM或SIGVTALRM信号。

1.4、信号的种类

Linux中定义了许多种类的信号，每种信号都有其特定的用途和默认行为。以下是一些常见的信号：

SIGINT：中断信号，通常由用户通过按下Ctrl+C产生，用于中断正在运行的程序。
SIGTERM：终止信号，用于请求程序自己终止，可以被捕获或忽略。
SIGKILL：杀死信号，用于立即终止程序，无法被捕获或忽略。
SIGSTOP：停止信号，用于停止进程的执行，无法被捕获、忽略或由用户生成。
SIGCHLD：子进程结束信号，当子进程结束时发送给父进程。
SIGCONT：继续信号，用于唤醒一个被停止的进程。

此外，还有SIGSEGV（段错误信号）、SIGFPE（浮点异常信号）、SIGILL（非法指令信号）等，分别用于处理不同的异常和事件。　　

二、实现相关函数

2.1、信号的发送函数

kill函数
- 原型：int kill(pid_t pid, int sig);
- 功能：向指定进程发送信号。其中，pid指定目标进程的ID，sig指定要发送的信号。
- 参数：
  - pid：目标进程的ID。取值有以下情况：
    - 大于0：将信号发送给指定进程ID的进程。
    - 等于0：将信号发送给当前进程组中的所有进程。
    - 小于-1：将信号发送给进程组号为pid绝对值的进程组中的所有进程。
  - sig：要发送的信号编号，推荐使用信号宏定义。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。
raise函数
- 原型：int raise(int sig);
- 功能：向当前进程发送信号。相当于kill(getpid(), sig);。
- 参数：sig为要发送的信号编号。
- 返回值：成功返回0，失败返回非0值。
abort函数
- 原型：void abort(void);
- 功能：向当前进程发送异常终止信号SIGABRT，并产生core文件。相当于kill(getpid(), SIGABRT);。
alarm函数
- 原型：unsigned int alarm(unsigned int seconds);
- 功能：设置定时器，指定seconds秒后，内核给当前进程发送SIGALRM信号。进程收到该信号，默认终止进程。
- 参数：seconds为定时器超时时间，单位为秒。
- 返回值：返回上次alarm设置的剩余秒数。若设置为0，则表示取消定时器，并返回旧闹钟剩余秒数。
setitimer函数
- 原型：int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
- 功能：设置定时器，可替代alarm函数，精度更高（微秒级），可实现周期定时。
- 参数：
  - which：定时方式，有以下选项：
    - ITIMER_REAL：计算自然时间，发送SIGALRM信号。
    - ITIMER_VIRTUAL：只计算用户空间占用的CPU时间，发送SIGVTALRM信号。
    - ITIMER_PROF：计算用户空间和内核空间占用的CPU时间之和，发送SIGPROF信号。
  - new_value：指向itimerval结构的指针，指定定时器的超时时间和周期。
  - old_value：指向itimerval结构的指针，用于存储旧的定时器值，通常设为NULL。

2.2、信号的接收与等待函数

pause函数
- 原型：int pause(void);
- 功能：让调用者进入休眠状态，直到进程收到信号并被唤醒。
- 返回值：唤醒后返回-1。
sleep函数
- 原型：unsigned int sleep(unsigned int seconds);
- 功能：让调用者进入休眠状态指定的秒数，期间可被信号唤醒。
- 返回值：剩余的休眠时间。

2.3、信号的处理函数

signal函数
- 原型：sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
- 功能：向内核注册一个信号处理函数。
- 参数：
  - signum：要处理的信号编号。
  - handler：自定义的信号处理函数的指针。
- 返回值：设置成功返回以前的信号处理程序的地址，设置失败返回SIG_ERR。
sigaction函数
- 原型：int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
- 功能：设置信号处理函数，比signal函数更灵活，可用于实时信号。
- 参数：
  - signum：要处理的信号编号。
  - act：指向sigaction结构的指针，指定新的信号处理函数和其他选项。
  - oldact：指向sigaction结构的指针，用于存储旧的信号处理函数信息，通常设为NULL。

2.4、信号的屏蔽与解除屏蔽函数

sigprocmask函数
- 原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
- 功能：设置要屏蔽的信号。
- 参数：
  - how：指定屏蔽信号的方式，有以下选项：
    - SIG_BLOCK：添加set中的信号到当前屏蔽集。
    - SIG_UNBLOCK：从当前屏蔽集中删除set中的信号。
    - SIG_SETMASK：用set替换当前的屏蔽集。
  - set：指向sigset_t结构的指针，指定要屏蔽或解除屏蔽的信号集。
  - oldset：指向sigset_t结构的指针，用于存储旧的屏蔽集信息，通常设为NULL。

三、实例应用

3.1、kill 函数发送杀死pid指向的进程的信号，raise 发送杀死自己的信号

来看如何使用kill函数：

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

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <pid>\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid_t pid = atoi(argv[1]);
    if (kill(pid, SIGKILL) == -1) {
        perror("kill");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Sent SIGKILL to process %d\n", pid);
    return 0;
}

在这个例子中，程序接受一个命令行参数，即要终止的进程的PID。然后，它使用kill函数向该进程发送SIGKILL信号。如果kill调用失败，程序将打印错误信息并退出。

接下来，看如何使用raise函数：

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

int main() {
    printf("Sending SIGKILL to myself...\n");
    if (raise(SIGKILL) == -1) {
        perror("raise");
        // Note: If raise fails, it's highly unlikely we'll get here,
        // because SIGKILL is uncatchable and usually terminates the process immediately.
        // But for the sake of completeness, we include this check.
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // This line will never be reached because the process will be terminated by SIGKILL.
    printf("This will not be printed.\n");

    return 0; // This return statement will never be executed.
}

在这个例子中，程序直接调用raise函数向自己发送SIGKILL信号。由于SIGKILL信号是无法被捕获或忽略的，因此程序将立即终止。因此，raise调用之后的任何代码都不会被执行。

注意：在实际使用中，发送SIGKILL信号应该谨慎进行，因为它会强制终止进程，不给进程任何清理资源或保存状态的机会。通常，应该首先尝试发送SIGTERM信号，让进程有机会进行清理工作，然后再考虑使用SIGKILL。

另外，编译和运行这些程序需要适当的权限。特别是，终止其他用户的进程通常需要超级用户权限。在编译这些程序时，可以使用gcc编译器，例如：

	`gcc -o kill_example kill_example.c`
	`gcc -o raise_example raise_example.c`

然后，以适当的权限运行它们：

	`./kill_example <pid> # 替换<pid>为目标进程的PID`
	`./raise_example # 注意，这将立即终止当前运行的程序`

3.2、定时器的使用

在Linux应用进程间通信中，信号定时器（timer）是一种常用的机制，用于在指定的时间间隔后或在指定的时间点向进程发送信号。这通常通过alarm函数或更灵活的setitimer函数来实现。下面是一个使用setitimer函数设置定时器的简单示例。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
 
// 信号处理函数
void timer_handler(int signum) {
    static int count = 0;
    printf("timer expired %d times\n", ++count);
}
 
int main() {
    // 设置信号处理函数
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = &timer_handler; // 指定处理函数
    sa.sa_flags = 0; // 默认标志
    sigemptyset(&sa.sa_mask); // 清空信号集
    if (sigaction(SIGVTALRM, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
 
    // 设置定时器
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 2; // 初始延迟2秒
    timer.it_value.tv_usec = 0; // 微秒部分
    timer.it_interval.tv_sec = 1; // 每隔1秒触发一次
    timer.it_interval.tv_usec = 0; // 微秒部分
 
    if (setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
 
    // 主循环，等待信号
    while (1) {
        pause(); // 等待信号
    }
 
    // 注意：由于使用了pause()，这个return语句实际上永远不会被执行。
    // 进程将在收到SIGVTALRM信号时被唤醒，并调用timer_handler函数。
    return 0;
}

在这个例子中，设置了一个虚拟定时器（ITIMER_VIRTUAL），它将在初始延迟2秒后首次触发，并且之后每隔1秒触发一次。定时器触发时，将向进程发送SIGVTALRM信号，该信号由我们自定义的timer_handler函数处理。

timer_handler函数简单地打印出一个计数器，每次定时器触发时递增。

main函数中的while (1)循环和pause()调用确保进程在等待信号时不会退出。pause()函数会使进程进入休眠状态，直到它接收到一个信号。一旦收到信号，pause()将返回，进程将继续执行（在这个例子中，实际上会再次进入pause()调用，等待下一个信号）。

请注意，由于使用了pause()和无限循环，这个程序将一直运行，直到被外部方式终止（例如，通过发送SIGKILL信号）。

编译和运行这个程序：