Linux----信号

Posted 2022-03-23 4nc414g0n

信号

• 1）引入
• 2）产生信号
• • ①通过终端按键产生信号
  • • CoreDump（核心转储）
  • ② 调用系统函数向进程发信号
  • ③ 由软件条件产生信号
  • ④ 硬件异常产生信号
• 3）阻塞信号
• • ① 信号的保存
  • ② sigset_t
  • ③ 信号集操作函数
  • • 1.设置即判断信号集函数
    • 2.sigprocmask和sigpending
  • ④ 综合代码测试
• 4）信号捕捉
• • ① 内核信号捕捉
  • ② signal
  • ③ sigaction
• 5）可重入函数
• 6）从信号角度重新理解关键字volatile
• 7）SIGCHILD信号

1）引入

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断

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kill -l查看所有信号
列表中，编号为1 ~ 31的信号为传统UNIX支持的信号，是不可靠信号(非实时的)，编号为34 ~ 64的信号是后来扩充的，称做可靠信号(实时信号)，实时信号底层也有一个实时信号队列来维护
实时信号请参考：Unix/Linux编程：实时信号
运行一个死循环程序
执行命令kil -2 [pid]或kill -SIGINT [pid]等价于crtl+c

解释：
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

信号的产生方式：

1. kill命令
2. 硬件产生
3. 程序异常(core dump)
   –进程角度程序崩溃
   –OS角度进程收到信号
   –… …

信号的识别：

1. 进程收到信号，并不是马上处理，而是在合适的时候（进程在收到信号的时候可能在处理更重要的事情）

信号的处理：

1. 默认(部分是终止进程，部分是特定的功能)
2. 忽略信号
3. 自定义(捕捉信号)

信号的本质：

1. 保存在进程PCB，进程控制块的task_struct
2. 通过一个位图unsigned int signals，比特位的内容（0或1）表示是否有信号，比特位的位置表示谁发送的信号
3. 发送信号的本质就是写task_struct的位图，OS通过修改对应进程的信号位图发送信号

2）产生信号

①通过终端按键产生信号

CoreDump（核心转储）

介绍：
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

命令 ulimit -a 显示当前的各种用户进程限制

可以看到core file size是unlimited（系统默认打开了core dump）
如果不生成core文件：
检查core产生路径是否正确 cat /proc/sys/kernel/core_pattern，如果路径不在当前目录下，则设置：echo "./core-%e-%p-%s" > /proc/sys/kernel/core_pattern

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测试：

int a=10;
int b=0;
a/=b

生成一个core文件
gdb调试：core-file [core文件]

② 调用系统函数向进程发信号

#include <signal.h>
int raise(int sig);

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功能：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)

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代码如下：

void handler(int signo)

   cout<<"signo is "<<signo<<endl;
   exit(1);

for(int i=0;i<=31;i++)
	signal(i, handler);

sleep(3);
raise(2);

收到2号信号

#include <stdlib.h>
void abort(void);

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功能：就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值
6号信号SIGABRT

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

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功能： 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

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实现自己的kill命令（需要用到命令行参数）

int main(int argc, char *argv[])

   if(argc!=3)
           cout<<"wrong usage"<<endl;
   
   kill(atoi(argv[2]), atoi(argv[1]));
   return 0;

③ 由软件条件产生信号

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

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功能： 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

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下面是一秒内数数的次数代码，一秒后被SIGALRM信号终止

int count=0;
alarm(1)
for(;1;count++)
	printf("%d ",count);

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:

1. 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
2. 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
3. … …

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3）阻塞信号

① 信号的保存

引入（了解其他）：

1. 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
2. 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)
3. 进程可以选择阻塞 (Block)某个信号
4. 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.
5. 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

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在内核中的表现形式：

1. pending位图:比特位的位置代表信号的编号，比特位的内容(0 or 1)代表是否收到信号。OS发送信号本质是修改task_ struct pending位 图的内容
2. block位图:比特位的位置代表信号的编号，比特位的内容(0 or 1) 代表是否阻塞该信号
3. handler数组:用信号的编号，作为数组的索引，找到该信号对应的信号处理方式，然后指向对应的方法(递达)（信号自定义捕捉方法是用户提供的）

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注意：内核首先判断信号屏蔽状态字是否阻塞，如果该信号被设为为了阻塞的，那么信号未决状态字（pending）相应位制成1；若该信号阻塞解除，信号未决状态字（pending）相应位制成0；表示信号此时可以抵达，也就是可以接收该信号

② sigset_t

信号集用来描述信号的集合，每个信号占用一位（64位），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

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注意：不同平台，不同版本操作系统，不同位数的操作系统 在内核中的sigset_t实现是不同的，见下图：

有的可能通过一个结构体来存储，有的会用一个unsigned long来存储

③ 信号集操作函数

1.设置即判断信号集函数

在main函数内定义一个sigset_t set,是在栈上开辟空间，这里的栈是用户栈，而我们要设置的是OS的进程属性，同时，底层sigset_t实现可能是不同的，所以系统调用接口不可或缺

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);

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功能：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（全置0）
返回值：成功为0，出错-1

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set：信号集

#include <signal.h>
int sigfillset(sigset_t *set);

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功能：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（全置1）
返回值：成功为0，出错-1

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set：信号集

#include <signal.h>
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);

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功能：在该信号集中添加某种有效信号（指定位置设置为1）
返回值：成功为0，出错-1

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set：信号集
signo：信号

#include <signal.h>
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);

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功能：在该信号集中删除某种有效信号（指定位置设置为0）
返回值：成功为0，出错-1

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set：信号集
signo：信号

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

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功能：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

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set：信号集
signo：信号

2.sigprocmask和sigpending

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

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功能：读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)
返回值：成功为0，出错-1
注意：

1. 如果oldset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oldset参数传出
2. 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
3. 如果oldset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oldset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字

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set：进程当前的信号屏蔽字 (阻塞信号集)
oldset：输出型参数，备份set
how的选项：

1. SIG_BLOCK：set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask=mask|set
2. SIG_UNBLOCK：set包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于mask=mask&~set
3. SIG_SETMASK：设置当前信号屏蔽字为set所指向的值，相当于mask=set
   

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);

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功能：读取当前进程的未决(pending)信号集,通过set参数传出
返回值：调用成功则返回0,出错则返回-1

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set：输出型参数

④ 综合代码测试

实现打印阻塞信号集，并在发送2号信号后打印阻塞信号集，再捕捉信号观察恢复的阻塞信号集

1. 设置进程的pending位图为阻塞2号信号
2. 尝试发送2号信号，10秒后回复原来的pending，打印

void handler(int signo)

    cout<<"signo is "<<signo<<endl;
    //exit(1);

void showpending(sigset_t *pending)

    for(int i=1;i<32;i++)
        if(sigismember(pending, i))//检查此pending内是否有i号信号
            cout<<1;
        else
            cout<<0;
    
    cout<<endl;


int main(int argc, char *argv[])

	signal(2,handler);//捕捉2号信号后自定义处理
	
	sigset_t in,out;
	//0初始化
	sigemptyset(&in);
	sigemptyset(&out);

	sigaddset(&in, 2);//用户栈设置
	sigprocmask(SIG_SETMASK, &in, &out);//设置OS的pending位图
	
	int count=0;
	sigset_t pending;//用于获取未决状态的信号集
	while(1)
	    sigpending(&pending);//获取未决状态的信号集（信号产生和递达间的状态）
	    showpending(&pending);//打印pending
	
	    sleep(1);
	    count++;
	    if(count==10)
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &out, &in);//相当于回复原来的状态
            cout<<"now sigset: ";
             showpending(&in);//打印
            cout<<"recover: ";
            showpending(&out);//打印
	    
	
	return 0;

分析：
开始设置阻塞信号集为0100…000, 打印的是pending信号集
当接受到ctrl+c也就是2号信号的时候，pending信号集会查看block信号集发现有阻塞，然后pendinig信号集被修改为0100…000

10秒后，回复pending信号集000…000

4）信号捕捉

① 内核信号捕捉

注意：

1. 每个用户进程都有自己的用户级页表，但是OS只有一份，所以我们只需要.维护一份内核级页表
2. CPU中会存在-一个权限相关的寄存器数据标识所处的状态，判断你使用的是哪个种类的页表
3. 用户态和核心态的权限级别不同，决定看到的资源是不一样的
4. 信号捕捉的时候，就必须由内核态切换为用户态，操作系统不信任任何用户，当在内核态执行自定义捕捉方式的时候，可能会不安全，所以必须切换到用户态再执行

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内核信号捕捉：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，信号处理函数的代码在用户空间
处理过程：

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
   

② signal

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

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功能：通过handler修改信号的处理方式

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signum：信号（比如2：SIGINT）
注意：sighandler_t是一个函数指针类型，所以handler是一个函数指针，
在signum-generic.h中有一个SIG_IGN宏定义，可供handler参数使用，表示忽略信号，定义如下（将1强转为sighandler_t类型）：

代码测试：

void handler(int signo)

	cout<<"signo is "<<signo<<endl;

int main()

	signal(SIGINT, handler);//收到2号信号就打印signo is [signo]
	pid_t pid=getpid();
	while(1)
		cout<<"process"<<pid<< "proceeding"<<endl;
	
	return 0;

使用其他信号终止进程，比如kill -3

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注意：可以对大部分信号进行捕捉或忽略，但是有少部分信号不能自定义(比如9号信号)
更改signal函数的signum参数为SIGKILL，直接kill进程
11号 segment fault 自行测试

③ sigaction

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

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功能： sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作

1. 若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作
2. 若oldact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作，act和oldact指向sigaction结构体

返回值：调用成功则返回0,出错则返回- 1

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sa_mask：一个调用信号捕捉函数之前要加到进程信号屏蔽字中的信号集
（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）
sa_flag：信号处理选项，一般默认设为0
参考：sigaction函数sa_flags各标志影响的实例讲解

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代码如下：

void handler(int signo)

       while(1)
               cout<<"signo is "<<signo<<endl;
               sleep(1);
       //exit(1);


int main(int argc, char *argv[])

       struct sigaction act, oldact;
       act.sa_handler=handler;
       act.sa_flags=0;
       sigemptyset(&act.sa_mask);
       sigaddset(&act.sa_mask,3);
       sigaddset(&act.sa_mask,4);
       sigaction(SIGINT,&act,&oldact);
       while(1)
               cout<<"progress"<<endl;
               sleep(1);
       
       return 0;

2，3，4号信号均不可以将其终止

5）可重入函数

这里是引用

6）从信号角度重新理解关键字volatile

7）SIGCHILD信号