Unix系统编程 信号部分学习笔记

Posted 2021-12-08 狱典司

《Unix系统编程》Unix信号学习笔记

• 一、 基础概念
• 二、 信号的产生
• 三、对信号掩码和信号集进行操作
• 四、捕捉与忽略信号 —— sigaction
• 五、等待信号 —— pause、sigsuspend和sigwait
• 六、信号处理：错误和异步信号安全
• 七、用siglongjmp和sigsetjmp进行程序控制

一、 基础概念

信号是对事件（小事件）相关进程的软件层面通知；

1. 有发出者和接收者（都是进程）–> 进程间通信
2. 信号实际类型：int

信号的产生、递送、挂起：

1. 产生：导致信号发生的事件
2. 递送：传递/签收，目标进程执行与信号绑定的操作，即根据信号采取行动（看到还不算完，还要执行）
3. 挂起：产生了但是还没递送，即以及生成但还没传递（1.时间片没轮到2.信号的屏蔽）

接信号的收者要安装信号处理程序（绑定信号–>操作）
如果在传递信号时进程执行了“信号处理程序”，那么进程就捕捉到了这个信号。

程序以用户编写的函数（处理程序）名作为参数调用sigaction来安装信号处理程序
也可以用SIG_DFL或SIG_IGN而不用处理程序来调用sigaction函数。
 SIG_DFL表示采用默认的动作
 SIG_IGN表示忽略信号
上面这两种动作都不是在捕捉信号。

信号生成时采取的动作取决于：

1. 该信号当前使用的信号处理程序
2. 进程信号掩码（process signal mask）
   注意：信号掩码中包含一个当前被阻塞信号的列表。

注意区分阻塞一个信号和忽略一个信号的区别
1.忽略：直接将被忽略的信号丢弃
实现方式：程序通过调用sigaction将信号处理程序设置为SIG_IGN来忽略一个信号。
2.阻塞：信号不会被丢弃；如果一个挂起信号被阻塞了，当进程解除对该信号的阻塞时，信号会被传递出去。

实现方式：程序通过调用sigprocmask来改变它的进程信号掩码来阻塞一个信号。

signal函数测试代码

#include"apue.h"

static void sig_usr(int signo) /* signal handler OR signal-catching function */
{
        if (signo==SIGUSR1){
                printf("recieve SIGUSR1\\n");
        }
        else if(signo==SIGUSR2){
                printf("receive SIGUSR2\\n");
        }
        else{
                printf("receive sinal %d\\n",signo);
        }
}

int main(void){
        //printf("%p\\n",sig_usr); /* check the address of function by the name of it */
        if(signal(SIGUSR1,sig_usr)==SIG_ERR){  //注意第二个参数使用的是存储函数地址的指针
                fprintf(stderr,"cannot catch SIGUSR1\\n");
        }
        if(signal(SIGUSR2,sig_usr)==SIG_ERR){
                fprintf(stderr,"cannot catch SIGUSR2\\n");
        }
        while(1)
                pause();//使得调用的进程在收到某一信号前挂起
                        //进程调用pause函数使得自己休眠，直到捕捉到一个信号
}

Shell上执行结果：

[root@localhost Q10]# gcc signal_10-2.c 
[root@localhost Q10]# ./a.out &     ( & 让程序在后台运行 )
[6] 4218            (作业控制shell打印作业编号和进程ID )
[root@localhost Q10]# kill -USR1 4218
recieve SIGUSR1
[root@localhost Q10]# kill -USR2 4218
receive SIGUSR2
[root@localhost Q10]# 

二、 信号的产生

在shell上使用kill命令

注意：kill的最后一种格式只支持如下signal_number的值：
0为信号0，1为信号SIGHUP，2为信号SIGINT，3为信号SIGQUIT，6为新信号SIGABRT，9为信号SIGKILL，14为信号SIGALARM，15为信号SIGTERM。

• 查看信号编号：
  
  看到9号信号是SIGKILL，可以用这个来杀死进程
  
  在程序内调用kill函数：
  
  

Kill函数针对pid划分出的四种情况：

1. Pid > 0 ： 向相应进程发送信号
2. Pid = 0 ： 向调用程序的进程组成员发送信号
3. Pid = -1 ： kill向所有它有权发送信息的进程发送信号
4. Pid < -1： kill将信号发送到组ID等于| pid |（取绝对值，即进程组的领头进程pid）的进程组中去

• 注意：用户只能向其拥有的进程发送信号

对于大多数信号来说，kill通过比较调用进程和目标进程的用户ID来确定它是否有权限发送信号。
SIGCONT是个例外 —— 如果kill被发送到与其在同一个会话中的进程中去，就不对用户ID进行检查了。

进程可以通过raise信号向自己发送一个信号
raise函数只有一个参数，即信号码：

在键盘上按下Ctrl+C来中断一个进程是怎么回事？
由按键动作引起了一个硬件中断，这种硬件中断是由键盘的设备驱动程序来处理（对键盘的输入进行缓冲和编辑）的。

有两个特殊的字符（信号生成字符）：

1. INTR —— 对应于信号SIGINT
2. QUIT —— 对应于信号SIGQUIT
   这两个特殊字符会使得设备驱动程序向前台进程组（而不是会话或后台进程组）发送对应的信号。

可以使用stty -a来查看于标准输入相关的设备特性，其中就包括对信号生成字符的设置：
函数alarm

三、对信号掩码和信号集进行操作

进程可以通过阻塞信号暂时地阻止信号的传递。在这个阻塞信号被传递之前，它不会影响进程的行为。

• 信号掩码（signal mask）
  类型：sigset_t
  作用：进程的信号掩码给出了当前被阻塞的信号的集合。
  可以使用类型为sigset_t的信号即来指定对信号的操作（例如阻塞或解除阻塞的操作）

• 对信号集（sigset_t）进行操作的五个函数：

注意：下列函数的两个重要参数
（1） sigset_t *set：是指向信号集的指针
（2） int signo：是信号编号或在signal.h中定义的大写信号名（宏）

五个重要函数讲解：

1. int sigaddset ( sigset_t *set, int signo )
   作用：将signo信号加入信号集set

2. int sigdelset ( sigset_t *set, int signo )
   作用：将信号signo从信号集set删除

3. int sigemptyset ( sigset_t *set )
   作用：将信号集set清空

4. int sigfillset ( sigset_t *set )
   作用：将所有的信号加入信号集set中

5. int sigismember（const sigset *set， int signo）
   作用：报告signo是否在信号集set中
   返回值：在则返回1，不在则返回0；

注意：除了sigismember函数，其他函数若成功都返回0，不成功返回-1并设置errno。

函数sigprocmask —— 将信号集设置为阻塞/解除阻塞
函数原型：
#include<signal.h>
int sigprocmask( int how, const sigset_t *restrict set, sigset_t *restrict oset )

参数解析：

1. set：被操作的信号集；如果为NULL，则说明不需要任何修改。
2. oset：如果不为NULL，sigprocmask将会把修改之前的信号集放在*oset中返回
3. how：用于说明sigprocmask修改信号掩码的方式
   （1） SIG_BLOCK：向当前被阻塞的信号（信号掩码）中添加一个信号集
   （2） SIG_UNBLOCK：从当前被阻塞的信号中删除一个信号集
   （3） SIG_SETMASK：将指定的信号集设置为阻塞信号
   

四、捕捉与忽略信号 —— sigaction

sigaction函数讲解

函数作用：
（1）绑定信号与该信号相关的动作
（2）检查与某信号绑定的动作

函数原型
#include<signal.h>
sigaction( int sig, const struct sigaction *restrict act, struct sigaction *restrict oact )

参数讲解

1. sig：待绑定的信号码
2. act：要绑定的动作，是一个指向struct sigaction结构的指针
   如果act为NULL，则不改变与sig相绑定的动作（而不是清空sig绑定的动作）
3. oact：用于接收与信号相关的前一个动作，也是一个指向struct sigaction结构的指针
   如果oact为NULL，则对sigaction的调用不会返回sig前一个绑定的动作

返回值：
成功返回0，不成功返回-1并设置errno。

struct sigaction结构体：

	struct sigaction{
		void (*sa_handler)(int); /*  SIG_DFL、SIG_IGN或指向函数(信号处理程序)的指针 */
		sigset_t  sa_mask;		/* 处理程序的执行过程中需要阻塞的额外信号 */
		int  sa_flags;			/* 特殊的标识符和选项 */
		void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)		/* 实时处理程序 */
	};

注意：POSIX标准中，信号处理程序（sa_handler）就是一个普通的函数，返回void，并有一个int型参数
需要注意的是，在绑定函数sigaction的参数中的act并不是真正的信号处理程序！act是一个结构体（struct sigaction），该结构体中的sa_handler才是（常用的）信号处理程序！

例子8-13很好，是个模板

为什么8-13在处理程序中没有使用fprintf或者是strlen呢？（有关异步信号安全）

另外一些关于信号安全的问题

关于sig_atomic_t作为一个小到可以实现原子访问的变量（了解程序8-5）

另外还需要注意一下用volatile声明的变量，这些变量不存储在寄存器中，直接存储在内存中！

五、等待信号 —— pause、sigsuspend和sigwait

信号提供了一种不需要忙等（busy waiting）来等待事件发生的方法。
注意：忙等是指连续使用CPU周期来检测事件（通常是一个变量）的发生。

POSIX中的函数接口pause、sigsuspend、sigwait提供了三种机制：
将进程挂起，直到信号发生为止。

函数pause

注意：pause的核心问题在于：在pause被启动之前信号可能以及被传递了，之后再执行pause的话进程则会一直被阻塞（产生死锁）。
可以把pause的缺陷简记为：在pause之前传递了信号。

函数sigsuspend (信号安全函数，将sigpromask和purse变成’原子’操作)

 对于pause的缺陷，解决的思路是：
必须再解除对信号的阻塞之后立即启动pause，这两个操作的过程应该被合并成一个原子操作。
sigsuspend函数提供了一种实现原子操作的办法。

这样的写法并没有解决pause的缺陷，信号还是有可能在sigdelset之后和sigsuspend之前就发出去了。
所以要想改善这种缺陷，使用例8-16的代码思想来使进程阻塞等待某个（注意是单个）信号 :

例8-16的代码在设计屏蔽集（信号掩码）的时候使用了sigfillset，即把所有的信号都阻塞了，故只能接收到一个信号。
使用例8-17的代码思想可以使进程在被suspend阻塞的情况下等待多个信号：

注意sigprocmask函数：第二个参数为NULL且第三个参数不为NULL的时候就相当于是观察原来的信号掩码，这时候第一个参数应该也没意义了。

例8-18在设置完屏蔽集之后再对信号集做sigdelset来删除要等待的信号，之后用这个改动过的信号集来suspend，减少了一个sigset_t变量的开销，达到了和8-17一样的效果：

sigwait函数

注意一下sigwait和sigsuspend在参数和功能上的区别！

六、信号处理：错误和异步信号安全

七、用siglongjmp和sigsetjmp进行程序控制

siglongjmp和sigsetjmp提供的功能：
信号处理程序直接跳转到期望的终止点。这个跳转过程需要解开程序栈。

将这两个函数与goto语句的用法做类比（注意：只是表面的类比，内部实现有很大不同）：

1. sigsetjmp函数类似于goto语句的标签；
2. 而siglongjump函数类似于一条goto语句
    最主要的区别是这对函数在跳转时 —— 清除了栈和信号的状态

函数讲解：

#include<setjmp.h>
（1） void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val);
 参数分析
1. env：调用程序时必须提供的缓冲区，其类型是sigjmp_buf；
2. val：携带的值，有可能被sigsetjmp返回（在sigsetjmp被信号调用而不是直接调用的时候）

（2） int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savemask）；
 参数分析
1. 跳转所需的信息集合，与siglongjump里的是同一个；
2. savemask是一个标志位，非零的时候（一般置1），信号掩码的当前状态就被保存在缓冲器env中

关于sigsetjmp的返回值：

1. 若是被程序直接调用，则返回0；
2. 若是通过信号被siglongjmp跳转到则返回siglongjmp的参数val。

看一个例子来理解：

---

该篇笔记中PDF版书籍截图图片均来自于《UNIX系统编程》一书