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Linux 应用程序开发之信号(signal)

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发表于 2023-8-17 13:20:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
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

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