【Linux】信号＞信号产生&&信号处理&&信号保存&&信号详解

用户10925563

发布于 2024-06-04 14:19:34

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发布于 2024-06-04 14:19:34

文章被收录于专栏：c/c++&&linuxc/c++&&linux

1.信号入门

1.1 生活角度的信号

你在网上买了很多件商品，再等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时，你该怎么处理快递。也就是你能“识别快递”
当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是你正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取”。
在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你“记住了有一个快递要去取”
当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种： 1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品） 2. 执行自定义动作（快递是零食，你要送给你你的女朋友） 3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔掉床头，继续开一把游戏）
快递到来的整个过程，对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话

1.2 技术应用角度的信号

用户输入命令，在Shell下启动一个前台进程

用户按下Ctrl-C ，这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程
前台进程因为收到信号，进而引起进程退出

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    while (1)
    {
        printf("I am a process, I am waiting signal!\n");
        sleep(1);
    }
}

注意：

Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行，这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程
Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接到像 Ctrl-C 这种控制键产生的信号
前台进程在运行过程中用户随时可能按下 Ctrl-C 而产生一个信号，也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到 SIGINT 信号而终止，所以信号相对于进程的控制流程来说是异步(Asynchronous)的

1.3 信号概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断

用kill -l命令可以察看系统定义的信号列表

每个信号都有一个编号和一个宏定义名称，这些宏定义可以在signal.h中找到，例如其中有定义 #define SIGINT 2
编号34以上的是实时信号，暂不讨论实时信号。这些信号各自在什么条件下产生，默认的处理动作是什么，在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal

1.4 信号处理常见方式概览

(sigaction函数稍后详细介绍)，可选的处理动作有以下三种：

忽略此信号
执行该信号的默认处理动作
提供一个信号处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉(Catch)一个信号

2.产生信号

2.1 通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程，SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump，我们来验证一下

2.1.1 Core Dump

首先解释什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core，这叫做Core Dump。进程异常终止通常是因为有Bug，比如非法内存访问导致段错误，事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因，这叫做Post-mortem Debug（事后调试）

一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存在PCB中)。默认是不允许产生core文件的，因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息，不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制，允许产生core文件。首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit，允许core文件最大为1024K: $ ulimit -c 1024

然后写一个死循环程序

前台运行这个程序，然后在终端键入Ctrl-C（貌似不行）或Ctrl-\（介个可以）

ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit，test进程的PCB由Shell进程复制而来，所以也具有和Shell进程相同的Resource Limit值，这样就可以产生Core Dump了。使用core文件

2.2 调用系统函数向进程发信号

首先在后台执行死循环程序，然后用kill命令给它发SIGSEGV信号

4568是test进程的id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault，是因为在4568进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令，Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起，所以等用户输入命令之后才显示
指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法，上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 4568 或 kill -11 4568，11是信号SIGSEGV的编号。以往遇到的段错误都是由非法内存访问产生的，而这个程序本身没错，给它发SIGSEGV也能产生段错误

kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);
这两个函数都是成功返回0,错误返回-1

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止

#include <stdlib.h>
void abort(void);
就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值

2.3 由软件条件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
调用alarm函数可以设定一个闹钟
也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号
该信号的默认处理动作是终止当前进程

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

打个比方,某人要小睡一觉，设定闹钟为30分钟之后响，20分钟后被人吵醒了，还想多睡一会儿，于是重新设定闹钟为15分钟之后响，“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0，表示取消以前设定的闹钟，函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

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

int main()
{
    int count=14;
    alarm(1);
    for(;1;count++)
    {
        printf("count=%d\n",count);
    }
    return 0;
}

这个程序的作用是1秒钟之内不停地数数，1秒钟到了就被SIGALRM信号终止

2.4 硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核，然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令，CPU的运算单元会产生异常，内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址，MMU会产生异常，内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程

2.4.1 信号捕捉初识

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
    printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
    signal(2, handler); 
    // 信号是可以被自定义捕捉的，siganl函数就是来进行信号捕捉的
    while (1)
        ;
    return 0;
}

2.4.1.1 模拟野指针异常

默认行为

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
    printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
    // signal(SIGSEGV, handler);
    sleep(1);
    int *p = NULL;
    *p = 100;
    while (1)
        ;
    return 0;
}

捕捉行为

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
    printf("catch a sig : %d\n", sig);
    sleep(1);
}
int main()
{
    signal(SIGSEGV, handler);
    sleep(1);
    int *p = NULL;
    *p = 100;
    while (1)
        ;
    return 0;
}

由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的

3.阻塞信号

3.1 信号其他相关常见概念

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)
进程可以选择阻塞 (Block )某个信号
被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

3.2 在内核中的表示

信号在内核中的表示示意图

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中，SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作
SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞
SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的：常规信号在递达之前产生多次只计一次，而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里

3.3 sigset_t

从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志，非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态

阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略

3.4 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的

#include <signal.h>
int sigemptyset (sigset_t *set);
int sigfillset (sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset (sigset_t *set, int signo);
int sigismember (const sigset_t *set, int signo);

函数sigemptyset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号
函数sigfillset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置位，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号
注意，在使用sigset_ t类型的变量之前，一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效号

这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1

3.4.1 sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset); 
返回值:若成功则为0,若出错则为-1

如果oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针，则更改进程的信号屏蔽字，参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针，则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask，下表说明了how参数的可选值

如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达

3.4.2 sigpending

#include <signal.h>
sigpending
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1

程序运行时，每秒钟把各信号的未决状态打印一遍，由于我们阻塞了SIGINT信号，按Ctrl-C将会使SIGINT信号处于未决状态，按Ctrl-\仍然可以终止程序，因为SIGQUIT信号没有阻塞

4.捕捉信号

4.1 内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号

由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了

4.2 sigaction

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

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

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回-1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体
将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作，赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号，或者说向内核注册了一个信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然，这也是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字

void Print(sigset_t &pending)
{
    for(int sig = 31; sig > 0; sig--)
    {
        if(sigismember(&pending, sig))
        {
            std::cout << 1;
        }
        else
        {
            std::cout << 0;
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}

// 当前如果正在对n号信号进行处理，默认n号信号会被自动屏蔽
// 对n号信号处理完成的时候，会自动解除对n号信号的屏蔽
void handler(int signum)
{
    std::cout << "get a sig: " << signum << std::endl;
    while(true)
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);

        Print(pending);

        sleep(1);
        sleep(30);
        break;
    }
    exit(1);
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 如果你还想处理2号(OS对2号自动屏蔽)，同时对其他信号也进行屏蔽
    
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    act.sa_flags = 0;

    sigaction(2,&act,&oact);
    for(int i = 0; i <= 31; i++)
        sigaction(i, &act, &oact);

    while(true)
    {
        std::cout << "I am a process, pid: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

4.3 可重入函数

main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1，插入操作分为两步，刚做完第一步的时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回用户态之前检查到有信号待处理，于是切换到sighandler函数，sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2，插入操作的两步都做完之后从sighandler返回内核态，再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行，先前做第一步之后被打断，现在继续做完第二步。结果是，main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点，而最后只有一个节点真正插入链表中了
像上例这样，insert函数被不同的控制流程调用，有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，这称为重入，insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，像这样的函数称为不可重入函数，反之，如果一个函数只访问自己的局部变量或参数，则称为可重入(Reentrant) 函数

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的
调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

4.4 volatile

volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int flag = 0;
void handler(int sig)
{
    printf("chage flag 0 to 1\n");
    flag = 1;
}
int main()
{
    signal(2, handler);
    while (!flag)
        ;
    printf("process quit normal\n");
    return 0;
}

sig:sig.c
	gcc -o $@ $^ #-O2
.PHONY:clean
clean:
	rm -f sig

标准情况下，键入 CTRL-C，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1。while 条件不满足，退出循环，进程退出

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int flag = 0;
void handler(int sig)
{
    printf("chage flag 0 to 1\n");
    flag = 1;
}
int main()
{
    signal(2, handler);
    while (!flag)
        ;
    printf("process quit normal\n");
    return 0;
}

sig:sig.c
	gcc -o $@ $^ -O2
.PHONY:clean
clean:
	rm -f sig

优化情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ，但是 while 条件依旧满足,进程继续运行！但是很明显flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显， while 循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。 while 检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要 volatile

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
volatile int flag = 0;
void handler(int sig)
{
    printf("chage flag 0 to 1\n");
    flag = 1;
}
int main()
{
    signal(2, handler);
    while (!flag)
        ;
    printf("process quit normal\n");
    return 0;
}

sig:sig.c
	gcc -o $@ $^ -O2
.PHONY:clean
clean:
	rm -f sig

4.5 SIGCHLD信号

过用wait和waitpid函数清理僵尸进程，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。采用第一种方式，父进程阻塞了就不能处理自己的工作了；采用第二种方式，父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下，程序实现复杂

其实,子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略，父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数，这样父进程只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了，子进程终止时会通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可

请编写一个程序完成以下功能：父进程fork出子进程，子进程调用exit(2)终止,父进程自定义SIGCHLD信号的处理函数，在其中调用wait获得子进程的退出状态并打印

事实上,由于UNIX 的历史原因，要想不产生僵尸进程还有另外一种办法：父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN，这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉，不会产生僵尸进程，也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的，但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证在其它UNIX系统上都可用

测试代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
void handler(int sig)
{
    pid_t id;
    while ((id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0)
    {
        printf("wait child success: %d\n", id);
    }
    printf("child is quit! %d\n", getpid());
}
int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t cid;
    if ((cid = fork()) == 0)
    { // child
        printf("child : %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
    }
    while (1)
    {
        printf("father proc is doing some thing!\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

也可以手动设置对SIGCHLD进行忽略

sig.cc(c++)

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 手动设置对SIGCHLD进行忽略即可
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        int cnt = 5;
        while (cnt)
        {
            std::cout << "child running" << std::endl;
            cnt--;
            sleep(1);
        }

        exit(1);
    }
    while (true)
    {
        std::cout << "father running" << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

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原始发表：2024-05-31，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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