Linux C 信号

Posted 2021-06-02 熊沐

信号

目录

• 信号
  • 基础和概念
    • 信号处置
      • 信号处理器
      • 改变信号处置：signal()
      • 改变信号处置：sigaction()
      • struct sigaction
      • 信号信息的携带：siginfo_t
      • 父子信号处理
    • 信号发送
      • 发送信号：kill()
        • 信号发送的权限
        • 举例
      • 向自己发送信号：raise()
      • sigqueue()
      • 进程组通知：killpg()
      • 等待信号：pause()
      • 显示信号信息：strsignal()
    • 信号集
      • 初始化信号集
      • 操作信号集
      • GNU C的拓展
    • 信号掩码
      • 信号传递的阻塞：
      • sigprocmask函数
  • 信号处理器
    • 概念
      • 可重入函数
      • 异步信号安全函数
  • 计时器与休眠
    • 计时器
      • 间隔计时器
    • 休眠
      • 高精度

总结自Unix手册第20 21 22章

信号产生的过程：信号因某事件而产生，稍后（信号的产生和传递之间存在时间间隔，这个时间间隔可能是因为进程正在执行某个系统调用，因此在这个系统调用返回前，信号不会被传递，此时信号处于等待（pending状态）被传递至指定进程，进程接收信号后作出响应。

基础和概念

信号处置

信号处理器

信号处理器：信号被捕获时调用的函数，该函数由内核代表进程进行调用，保证可以随时打断接收信号的进程。信号处理器的设计应该力求简单。信号处理器形如

void handler(int sig)
{

}

传入信号的编号，处理器可以根据信号种类的不同选择性的执行一些代码，也就是说，一个信号处理器可以用来处理多种不同的信号。

改变信号处置：signal()

signal函数不如sigaction函数优秀，前者在不同UNIX实现中存在差异，但后者使用更加复杂（功能也更强大）

#include <signal.h>

sig_t signal(int sig, sig_t handler)

• sig希望改变处理行为的信号编号
• handler指明改变后信号处理函数，一般这个函数具有这样的形式

改变信号处置：sigaction()

int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

• sig信号
• const struct sigaction *act：是一个指针，指向描述信号新处置方式的数据结构，具体使用见下
• struct sigaction *oldact：返回之前信号处置的信息

struct sigaction

struct sigaction
{
    union
    {
        void (*sa_handler)(int);
        void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t * , void * );
    } sigaction_handler;
    // 信号的集合，用于记录被阻塞的信号 需要用特定函数处理
    sigset_t sa_mask;
    // 指明信号处理的行为
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer) (void);
};

• sigaction_handler：（匿名联合体，存在于结构体或联合体中，使用时不需要通过联合体名，可以直接使用）
  • sa_handler为函数指针，对应signal()中的handler函数
    • 可以指向SIG_DEL，SIG_IGN常量之一
    • 可以自定信号处理器
      • 只有使用自定义函数，sa_mask和sa_flags的设置才有意义
  • sa_sigaction函数指针，可以完成复杂的信号工作
• sa_mask用于设定信号处理器执行时阻塞的信号。
  • 使用细节是：内核调用信号处理器之前，将sa_mask中设定掩码的信号添加到进程的信号掩码中，直至信号处理器函数返回，再从进程的信号掩码中移除之前添加的信号。
• sa_flags是位掩码，设定需要使用|
  • SA_SIGINFO
    • 发送信号时发送附加信息，信号处理器要声明成void handler(int sig, siginfo_t *info, void *context);
• sa_restorer没看到如何用，空下

信号信息的携带：siginfo_t

一个非常复杂的结构体，未了解。

父子信号处理

父进程创建子进程，子进程继承父进程信号处理方式，直到子进程调用exec函数。exec函数将调用者的信号处理方式还原成默认。

信号发送

发送信号：kill()

不是去扼杀进程，而是只发送信号，只是早期UNIX实现中大多数信号的功能是终止进程。

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

• pid标识一个或多个目标进程
  • pid > 0：pid为指定进程
  • pid == 0：pid发送信号给发送信号所在的进程同组的每个进程
    • 也就是所有子进程
  • pid < -1：向组ID为-pid的进程组内所有下属进程
  • pid == -1：调用进程有权发送的所有进程（如果使用ssh连接服务器实验，执行后发现ssh断了）

信号发送的权限

发送信号必须满足发送信号的进程和接收信号的进程的用户ID相同，或者是发送信号的进程的用户是root。

举例

// 这个是发送信号的代码
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int result, i;
    if(argc > 1)
    {
        result = kill(atoi(argv[1]), SIGINT);
        printf("result = %d\\n", result);
    }
    return 0;
}

// 这个是接收信号的代码
// 只是一个耗时间的计算，注意不能用sleep代替，因为sleep会使进程挂起
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("%d\\n", getpid());// 输出此进程的pid
    int i = 0;
    double x = 5, y = 0.9548, e = 2.7;
    for(i = 0; i < 500000000; i++)
    {
        x = x * e + (x - i) * e - 3.65 * (y - e);
        y = y * (x - e);
        x -= y;
    }
    printf("%f\\n", x);
    return 0;
}

// 测试kill(0, SIGINT);
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void handler(int sig);

int main(int argc, char **argv)
{
    signal(SIGINT, handler);
    pid_t father = getpid(), son[10];
    for (size_t i = 0; i < 3; i++)
    {
        if (getpid() == father)
        {
            son[i] = fork();
            if (son[i] != 0)
            {
                printf("when %ld : %d -> %d\\n", i, father, son[i]);
            }
            else
            {
                sleep(2);// 子进程休眠，等待父进程发送信号
                printf("%d is safe\\n", getpid());
            }
        }
    }
    if (getpid() == father)
    {
        sleep(1);  // 如果不加这句话，可能子进程被创建但没来得及执行就被kill了信息
        kill(0, SIGINT);
        printf("%d is safe\\n", getpid());
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

void handler(int sig)
{
    printf("%d use handler SIGINT\\n", getpid());
}

向自己发送信号：raise()

int raise(int sig);

• 对于单线程：相当于kill(getpid(), sig);
• 对于非单线程：相当于pthread_kill(pthread_self(), sig);

由于信号的处理有内核调用信号处理器完成，所以进程使用raise时，信号立即传递并被处理，甚至在raise调用返回前。raise函数调用成功返回0，失败（唯一的失败是EINVAL，sig无效）返回非0值

/**
 * 
 * 所以这个函数一定是先输出handle done
 * 再输出result
 * 
 */
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

void handler(int sig)
{
    printf("handle done\\n");
}

int main(int argc, char **argv)
{
    signal(SIGINT, handler);
    int result = raise(SIGINT);
    printf("%d\\n", result);
    return 0;
}

sigqueue()

向进程发送信号，没用过也没实验过

int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

进程组通知：killpg()

#include <signal.h>

int killpg(pid_t pgrp, int sig)

向某一进程组的所有成员发送信号，相当于kill(-pgrp, sig);

等待信号：pause()

暂停进程执行，知道信号处理器被调用，中断pause。被中断程序返回-1，并设置errno。

#include <unistd.h>

int pause();

显示信号信息：strsignal()

有三种显示的方式

1. sys_siglist数组，使用sys_siglist[SIGXXX]获得信号的描述
2. strsignal()函数，返回信号描述的字符串，推荐使用strsignal()函数，因为会有安全的边界检查，而且该函数设置了地区敏感，可以显示本地语言（没感觉出来）
3. psignal()函数，在标准错误设备上输出msg信息和sig的描述

#define _BSD_SOURCE
// 5.4.0-70-generic下使用这个红出现了警告
// # warning "_BSD_SOURCE and _SVID_SOURCE are deprecated, use _DEFAULT_SOURCE"
#include <signal.h>
extern const char *const sys_siglist[];

#define _GNU_SOURCE
#include <string.h>
char *strsignal(int sig)

#include <signal.h>
void psignal(int sig, const char *msg);

信号集

用于表述多个信号的数据结构，sigset_t，这在Linux上以为掩码形式存在。

初始化信号集

sigemptyset()以空的形式初始化信号集，sigfillset()以填充所有信号的形式初始化。SUSv3只要求对sigset_t赋值即可，sigset_t其实可以用手动赋值，但这样有损于可移植性，而Linux使用函数实现，增强了可移植性。

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *__set)
int sigfillset(sigset_t *__set)

操作信号集

分别有从信号集中添加和删去某个信号，或是判断这个信号是否在信号集中

#include <signal.h>

int sigaddset(sigset_t *set, int sig)
int sigdelset(sigset_t *set, int sig)
int sigismember(sigset_t *set, int sig);
int sigpending(sigset_t *set);

• sigismember：sig存在于set中返回1，否则返回0
• sigpending：返回调用进程处于等待的信号

GNU C的拓展

需要在宏中添加#define _GNU_SOURCE

具体的三个函数这里没有写

信号掩码

信号传递的阻塞：

每个进程拥有一个信号掩码，由内核维护，记录着需要阻塞的信号。如果内核发送该进程的信号掩码中记录的信号给该进程，那么这个信号会被阻塞，除非从进程掩码中移除。更进一步，信号掩码可以细致到线程级别

sigprocmask函数

1. 修改该进程的信号掩码
2. 获得该进程的信号掩码
   • 设置set为NULL且how为SIG_BLOCK，可以用oldset中获得信号掩码

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *restrict set, sigset_t *restrict oldset)

• how指定了函数的具体行为
  • SIG_BLOCK，将set信号集中的信号添加到信号掩码中
  • SIG_UNBLOCK，将set中的信号从掩码中移除
  • SIG_SETMASK，将set信号集赋值给掩码
• set指定的程序需要处理的信号的信号集
• oldset得到修改之前的信号掩码

信号处理器

概念

信号处理器和主程序是两条独立的线程，同属于同一进程。

可重入函数

同一进程多个线程看同时安全（产生预期的结果）调用的函数

要求

• 只是用本地变量

不可重入函数的特点

• 使用全局变量和静态数据结构可能是不可重入
• 使用静态分配的内存，这次调用会覆盖上次调用的信息

常见不可重入函数举例

• 不可重入
  • malloc函数族

异步信号安全函数

可重入或信号处理器函数无法中断的函数

计时器与休眠

定时器精度问题：没有写，见UNIX编程手册23.2章和10.6章

计时器

linux对每个进程设置3个计时器计时器的种类有：

	真实计时器	虚拟计时器	实用计时器
C语言中的值	ITIMER_REAL	ITIMER_VIRTUAL	ITIMER_PROF
记录时间	程序运行的总时间	在用户态的时间之和	在用户态和内核态的时间之和
到期发送信号	SIGALRM	SIGVTALRM	SIGPROF

对这些信号的默认处理是终止进程，除非自定义信号处理函数。

间隔计时器

计时器数据结构：

struct itimerval
{
    struct timeval it_interval;
    struct timeval it_value;
};

struct timeval  // 时间的数据结构
{
    long tv_sec;		// Seconds
    long tv_usec;	    // Microseconds
};

系统使用settimer创建定时器

#include <sys/times.h>

int setitimer(int which, const struct itimerval *new, struct itimerval *old)

• which指明需要创建哪种计时器
  • 使用C语言预定义值指明
• new
  • it_value指明定时器到期的计时时间
    • 两个值都为0表示屏蔽计时器
    • 值表示初始的间隔时间，即第一次发送信号的时间间隔
  • it_interval指明定时器是否是周期性定时器
    • 为0时不表示间隔时间是0，而是表示计时器不是周期性的，是一次性的
    • 不为0时表示计时value后每次间隔interval再发送信号
• old
  • old不为NULL时，则该值指向函数设定计时器时的前一个设置，用于计时器设定的还原

函数行为：计时器会从new.it_value开始倒计时直到0为止，递减至0时发送信号，若new.it_interval != 0，重置并开始计时

一个进程只能拥有三种计时器的一种，所以之后再次调用setitimer时会修改上一次的设定值

#include <sys/times.h>

int getitimer(int which, struct itimerval *value)

获得当前计时器的状态，类似于setitimer中的old

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds)

设定一个sedonds秒后到期的计时器，到期时发送SIGALRM信号，（这也会覆盖之前的设定，alarm(0)表示屏蔽所有计时器）

休眠

#include <unistd.h>

unsigned int sleep(unsigned int seconds);  // 休眠seconds秒

void usleep(unsigned long usec);  // 休眠usec * 10 ^ -6秒


// 这两个函数已经进行一次抽象了
// 等价于调用
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
int pause(void);

sleep函数正常休眠，返回0，如果因为信号中断休眠，返回剩余休眠的时间。

高精度

#include <time.h>

int nanosleep(const struct timespec *requested_time, struct timespec *remaining)

struct timespec
{
    long tv_sec;		/* Seconds.  */
    long tv_nsec;	    /* Nanoseconds.  */
};

该函数的实现不依赖与信号，so？？？

• requested_time
  • 指明休眠时间，支持纳秒级别