Linux 应用程序开发之信号（signal）

鸣涧

Linux 应用程序开发之信号（signal）

文章目录
信号的机制
与信号相关的事件和状态
信号四要素
Linux 常规信号一览表
信号发送
信号捕捉
信号集
信号集操作原理
设置(自定义)信号集
设置进程信号屏蔽字
读取当前进程的未决信号集


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
产生信号的五种方式:
按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\（退出）
终端按键产生信号
Ctrl + c → 2) SIGINT（终止/中断） “INT” ----Interrupt
Ctrl + \ → 3) SIGQUIT（退出）
Ctrl + z → 20) SIGTSTP（暂停/停止） “T” ----Terminal 终端。
系统调用产生，如：kill、raise、abort
软件条件产生，如：定时器 alarm
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)
硬件异常产生信号
总线错误 → 7) SIGBUS
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)
命令产生，如：kill 命令
两个状态：
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。

信号的三种处理方式:

执行默认动作
忽略(丢弃)
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 某 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:

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。
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。
信号四要素
编号
名称
事件
默认处理动作
常见默认处理动作：
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
Linux 常规信号一览表
可使用 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。

可通过 man 7 signal 查看帮助文档获取;这里特别强调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。

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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
SIGUSR1：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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
SIGCHLD：子进程状态发生变化时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。
SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。
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。
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。
SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。
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。
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。
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。
SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。
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。
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。
SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。
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。
SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。
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。
信号发送
kill()函数
作用：将信号发送给进程或进程组

头文件：#include <signal.h>
函数原型：int kill (pid_t pid,int signo)
返回值：成功：0；失败：-1，设置 errno (ID 非法，信号非法，普通用户杀 init 进程等权级问题)

函数参数：
signo参数：指定信号编号，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参数的四种情况：
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

alarm() 函数

作用：设置定时器(闹钟)。在指定 seconds 后，内核会给当前进程发送 14号（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。

函数原型：unsigned int alarm(unsigned int seconds);
返回值：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。

信号捕捉
内核实现信号捕捉过程：


signal()函数
作用：注册一个信号捕捉函数

typedef void (*sighandler_t)(int);
函数原型：sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
函数参数：signum：欲要设置捕捉的信号编号；
handler：回调函数，信号捕捉后所要执行的函数；

注意：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。

sigaction() 函数
作用：修改（捕捉）信号处理动作（通常在 Linux 用其来注册一个信号的捕捉函数）

函数原型： int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
返回值：成功：0；失败：-1，设置 errno
参数：signum：欲要设置捕捉的信号编号；
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：
① 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
② 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。
③ 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，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默认mask来指定。而是用 sa_mask 来指定。调用完信号处理函数，再恢复为默认mask。
XX 信号捕捉函数执行期间，XX 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）
信号集
信号集操作原理
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。


设置(自定义)信号集
sigset_t 类型的本质是位图。但不应该直接使用位操作，而应该使用下述函数，保证跨系统操作有效。

头文件：#include <signal.h>
指定参数类型：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；不在集合：0；出错：-1

设置进程信号屏蔽字
sigprocmask() 函数
作用：用来设置屏蔽信号、解除屏蔽使用该函数。其本质，读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB 中)

头文件：include <signal.h>
函数原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)
返回值：成功：0；失败：-1，设置 errno

函数参数：
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

SIG_BLOCK: 当 how 设置为此值，set 表示需要设置屏蔽的信号。相当于 mask = mask|set
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
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。
读取当前进程的未决信号集
sigpending() 函数
作用：读取当前进程的未决信号集

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