Linux信号

一、信号是什么？

对于 Linux来说，信号是进程之间异步通知的一种方式，属于是软中断，许多重要的程序都需要处理信号。信号，为 Linux 提供了一种处理异步事件的方法。比如，终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序，会通过信号机制停止一个程序。

通过以下命令可以查看信号：

kill -l

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1到31是普通信号，34到64是实时信号

通过键盘输入Ctrl + C就会让Linux发送2号信号给前台进程，bash就是一个前台进程，我们输入的一些指令其实都是在bash进程下操作的，如果把bash进程调整到后台，就无法正常的输入命令了。

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。

二、信号处理方式

当收到一个信号时， 可选的处理动作有以下三种：

• 忽略此信号，大多数信号可以使用这个方式来处理，但是有两种信号不能被忽略（分别是 SIGKILL和SIGSTOP）。因为他们向内核和超级用户提供了进程终止和停止的可靠方法，如果忽略了，那么这个进程就变成了没人能管理的的进程，显然是内核设计者不希望看到的场景。
• 执行该信号的默认处理动作，对于每个信号来说，系统都对应由默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行。不过，对系统来说，大部分的处理方式都比较粗暴，就是直接杀死该进程。具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。
• 提供一个信号处理函数 ，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。

三、产生信号

1. 通过终端按键产生信号

SIGINT（Ctrl + c）的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT（Ctrl + \）的默认处理动作是终止进程并且Core Dump。

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:

//查看系统用户所有限制值
ulimit -a

//调整core文件大小
ulimit -c 1024

2.调用系统函数向进程发信号

//头文件
#include 

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。

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 

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。

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。

3.软件条件产生信号

#include 

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(闹钟时间达到就返回0)或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。当达到设定时间后，就会被SIGALRM信号终止。

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。

注意： 虽然信号产生方式有多种，但是信号归根到底是由操作系统向对应进程发送的。

四、阻塞信号

1.阻塞信号的相关概念

• 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。
• 注意,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。

2.在内核中的表示

• 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?

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.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。

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 

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信号。

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。

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 

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。

调用函数sigpending可以读取进程的未决信号。

#include 

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。

五、捕捉信号

#include 
#include 
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;
}

上面代码，就会捕捉二号信号，同时转入自定义的handler函数进行信号的处理。

1.内核如何实现信号的捕捉

1. 在用户态下执行主控制流程的某条指令时，因为中断、异常或系统调用进入内核，进入内核态。
2. 内核处理完异常准备返回用户态之前先处理当前进程中可以递送的信号。
3. 如果信号的处理由自定义的信号处理函数负责，则回到用户态，并执行信号处理函数。
4. 处理完毕后，执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核。
5. 如果没有新的信号要递达，再从内核态返回用户态到上次中断的地方继续执行。

2.sigaction

#include 

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction* oact);

• 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。

六、可重入函数

1.什么是可重入函数

可重入函数主要用于多任务环境中，一个可重入的函数简单来说就是可以被中断的函数，也就是说，可以在这个函数执行的任何时刻中断它，转入 OS 调度下去执行另外一段代码，而返回控制时不会出现什么错误；而不可重入的函数由于使用了一些系统资源，比如全局变量区，中断向量表等，所以它如果被中断的话，可能会出现问题，这类函数是不能运行在多任务环境下的。

满足下列条件的函数是不可重入的：

• 函数体内使用了静态（static）的数据结构
• 函数体内调用了 malloc() 或者 free() 函数
• 函数体内调用了标准 I/O 函数

2.为什么中断处理函数不能直接调用不可重入函数

在多任务系统下，中断可能在任务执行的任何时间发生；如果一个函数的执行期间被中断后，到重新恢复到断点进行执行的过程中，函数所依赖的环境没有发生改变，那么这个函数就是可重入的，否则就不可重入。

在中断前后不都要保存和恢复上下文吗，怎么会出现函数所依赖的环境发生改变了呢？ 我们知道中断时确实保存一些上下文，但是仅限于返回地址，cpu 寄存器等之类的少量上下文，而函数内部使用的诸如全局或静态变量，buffer 等并不在保护之列，所以如果这些值在函数被中断期间发生了改变，那么当函数回到断点继续执行时，其结果就不可预料了。

在中断处理函数中调用有互斥锁保护的全局变量，如果恰好该变量正在被另一个线程调用，会导致中断处理函数不能及时返回，导致中断丢失等严重问题。

并且在多线程环境中使用，在没有加锁的情况下，对同一段内存块进行并发读写，就会造成 segmentfault/coredump 之类的问题。

SIGCHLD信号

我们已经知道使用wait和waitpid函数可以清理僵尸进程,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。

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。