进程信号——阻塞与捕捉信号

Posted WoLannnnn

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了进程信号——阻塞与捕捉信号相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

文章目录

阻塞信号

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
  • 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

信号在内核中的表示示意图

关于信号的保存:

我们暂时只关注前31个信号,图中的pending和block实际上是一个数据结构——位图

位图就像一个整型的32个比特位,而对于保存信号,我们要考虑的就是是否有信号让我们保存?保存哪个信号?

而对于pending位图:001000…00000,共有32个bit位,bit位所处的位置,也就是从左到右第几位,就代表是哪个信号的编号,而每个比特位上,是0还是1就代表有没有信号,0表示没有,1表示有。

同样的,对于block位图:001000…0000,有32个bit位,bit位所处的位置,就代表是哪个信号的编号,每个bit位上,0还是1代表是阻塞还是未阻塞,0表示未阻塞,1表示阻塞。

对于图中的handler,它实际上是个数组,保存的是对信号的处理方式,一共有三种:默认处理(SIG_DFL),忽略(SIG_IGN),以及自定义。而数组的下标就是对应信号的编号。

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。

对图中三个信号的解析:

  • SIGHUP: 编号为1的信号,对应的block位图中数字是0,说明没有被该进程阻塞,而pending位图中是0,说明该信号没有产生,而handler中对该信号的处理方式是默认

  • SIGINT : 2号信号,虽然pending中数字为1,说明该信号产生了,但block中数字是1,代表该进程会被阻塞,且它的处理方式是忽略。

    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 该信号没有产生,且如果产生了会被阻塞,它的处理方式是用户自定义的方式

    因此我们也知道,一个信号还没有产生,我们是可以屏蔽(阻塞它的)

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。我们不讨论实时信号

总结

  • 一个进程和信号的关系:三张表(block,pending,handler)
  • 处理信号的三种方法:默认、忽略、自定义

信号从产生到递达

图示:

信号产生:之前讲的四种方式

信号发送:由OS发送。信号发送了不会立即被处理

信号保存:由block位图和pending位图管理

信号处理:是阻塞还是接收

信号递达:是执行(默认方式还是自定义)还是忽略

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

注意:不能用简单的按位与和按位或来对pending表和block表来进行处理

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);//将pending或block信号集全置为0,取决于set参数是哪个信号集
int sigfillset(sigset_t *set);//将pending或block信号集全置为1
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);//在pending或block添加某个信号
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);//在pending或block删除某个信号
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);//判断pending或block中是否含有该信号
  • 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位置为1,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。

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。
SIG_BLOCKset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
SIG_UNBLOCKset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
SIG_SETMASK设置当前信号屏蔽字为set所指向的值,相当于mask = set

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

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。 下面用刚学的几个函数做个实验。程序如下:

对上面函数的一个应用:

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

void show_pending(sigset_t pending)

  //1-31号信号
  int i = 1;
  for (; i < 32; ++i)
  
    //如果i号信号在pending信号集中,则打印1
    if (sigismember(&pending, i))
    
      printf("1");
    
    else//如果不在就打印0
    
      printf("0");    
    
  

  printf("\\n");



int main()

  sigset_t pending;
  sigset_t block, oldblock;

  //将pending和block信号集置空
  sigemptyset(&pending);
  sigemptyset(&block);
  sigemptyset(&oldblock);

  //将2号信号设置为block,即ctrl+C
  sigaddset(&block, 2);//这只是将用户内存空间上的block变量的2号位置(可能是bit位)设置为1

  //这才是将进程的信号集进行了处理
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oldblock);

  while (1)
  
    sigpending(&pending);//获取当前进程的未决信号集
    show_pending(pending);//打印当前进程的未决信号集
    sleep(1);
  

  return 0;


因为我们将pending信号集置空了,所以一开始是打印0。之后发送了2号信号,但2号信号被屏蔽了,所以进程没有被终止,2号信号处于未决状态,于是penging信号集中就多了一个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

将2号信号取消阻塞,并看到pending信号集中2号位置由1变0的过程:将oldblock设置位新的block,再将2号信号捕捉,自定义处理

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

void show_pending(sigset_t pending)

  int i = 1;
  for (; i < 32; ++i)
  
    //如果i号信号在pending信号集中,则打印1
    if (sigismember(&pending, i))
    
      printf("1");
    
    else//如果不在就打印0
    
      printf("0");    
    
  

  printf("\\n");


//自定义信号处理
void handle(int signo)

  printf("get a sig:%d\\n", signo);


int main()

  sigset_t pending;
  sigset_t block, oldblock;

  //将pending和block信号集置空
  sigemptyset(&pending);
  sigemptyset(&block);
  sigemptyset(&oldblock);

  //将2号信号设置为block,即ctrl+C
  sigaddset(&block, 2);//这只是将用户内存空间上的block变量的2号位置(可能是bit位)设置为1

  //这才是将进程的信号集进行了处理
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oldblock);

  int count = 0;
  while (1)
  
    if (10 == count)
      break;
    sigpending(&pending);//获取当前进程的未决信号集
    show_pending(pending);//打印当前进程的未决信号集
    sleep(1);

    ++count;
  

    //循环退出时,取消信号2的阻塞,并捕捉信号,完成递达
  signal(2, handle);
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldblock, NULL);


  return 0;


捕捉信号

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,要在返回用户态的main函数之前检查是否有信号递达。 如果有,要确认是以什么方式处理该信号,是默认,忽略还是用户自定义。此图中,内核决定返回用户态,但不是恢复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。

信号是何时递达的?

从内核态切换为用户态时进行相关的检测,上图的第三步和第五步都会进行信号的检测。

用户态和内核态的切换

1.什么是用户态和内核态的切换?

当我们使用了系统调用接口时,就必须让内核态帮我们执行代码,当然,让内核态执行代码的原因不只有这一种。

我们使用的printf、scanf等函数,虽然是C语言标准库提供的,但是,在这些函数实现的底层,还是使用了系统接口,所以,调用这些函数时,实际上就要切换到内核态来帮助我们完成代码。

2.为什么要进行用户态和内核态的切换?

因为我们的代码有些是需要内核态才能实现的,比如硬件的使用(将结果打印在显示器上,从键盘读取数据)等

3.内核态和用户态的切换是如何完成的?

所有进程的内核区映射的物理空间是一样的,不同于用户区的代码和数据。
用户态执行用户区代码(用户级页表映射),内核态执行内核区代码(内核级页表映射),当然内核态权限大,也可以执行用户区代码

那么,CPU怎么知道要执行哪份代码呢?

CPU中有一个寄存器,其中有一个值可以帮我们切换状态,OS修改该值,让CPU执行不同状态的代码。而进程的task_struct中可以与该寄存器建立联系。

用户和内核地址空间:

所以代码的执行实际上就和下图一样,在用户态和内核态之间进行多次切换

再重新归纳一下信号的处理过程:

我们将这5步用一个横着的“8”串联起来,箭头方向就表示执行顺序。

中间的横线表示内核态与用户态的边界,所以“8”与横线的交点就表示用户态与内核态的切换,而“8”的中心点可以理解成是信号的处理(由第3步到第4步)。这个“8”就概括了信号处理的整个大概流程

了解了整个过程后,我们注意一下,为什么执行自定义的信号处理方式要返回用户态呢?内核态不是也有权限可以执行吗?

答案是,自定义处理方式可能是恶意的,比如删除工作目录等,如果是内核态来执行这些动作,就没有保护措施,内核就傻呼呼地执行了,结果会造成很大地危害。

用上面知识解释下面的情况为什么越界了还会打印

#include<stdio.h>

int main()

  int i = 0;
  int arr[100];

  for (; i < 200; ++i)
  
    arr[i] = i;//制造数组越界
  
  printf("why run here?!\\n");

  return 0;


执行结果:

因为printf上面的代码是用户态执行的,当越界访问内存时操作系统发了信号,信号是在内核态处理的,所以即使越界了,循环并不会停止,而是继续执行。当调用printf时,要进入内核态,处理完后,检测信号,检测到了OS发的信号,然后再处理该信号,结果就得到了段错误

2. sigaction

#include <signal.h>
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(类似于signal函数)。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。

    • sa_sigaction、sa_restorer与实时信号有关,我们暂时不研究,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。比如,如果我们当前2号信号已经阻塞了,但是还在继续发送2号信号,它还是一直处于阻塞状态,直到被接触阻塞。而如果我们在进行信号处理时,又有其他信号发送过来,所以,要想屏蔽哪些信号的话,就可以使用sa_mask
  • sa_flags字段包含一些选项,我们当前写的代码都把sa_flags设为0

使用示例

void handler(int signo)

	printf("get a sig:%d\\n", signo);


int main()

    struct sigaction act, oldact;
    //修改信号的处理方式
    act.sa_handler = handler;
    act.sa_flags = 0;
    
    //不设置处理信号时的其他信号的屏蔽
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    
    sigaction(2, &act, &oldact);//修改2号信号的处理方式
    
    while (1)
    
		;//死循环期间发送2号信号,查看处理情况
    

结果:

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。想一下,为什么两个不同的控制流程调用同一个函数,访问它的同一个局部变量或参数就不会造成错乱?

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。

volatile

该关键字在C当中我们已经有所涉猎,今天我们站在信号的角度重新理解一下

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
    
int flag = 0;
void handler(int sig)

    //将flag改为1,即让main中的循环停止
    printf("change flag 0 to 1\\n");
    flag = 1;

int main()

    signal(2, handler);
    while(!flag);
    printf("process quit normal\\n");
    
    return 0;


[ysj@localhost code_test]$ cat Makefile
sig:sig.c
	gcc -o sig sig.c #-O2
.PHONY:clean
clean:
	rm -f sig
        
[ysj@localhost code_test]$ ./sig
^Cchage flag 0 to 1
process quit normal

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;


[ysj@localhost code_test]$ cat Makefile
sig:sig.c
	gcc -o sig sig.c -O2
.PHONY:clean
clean:
	rm -f sig

[ysj@localhost code_test]$ ./sig
^Cchage flag 0 to 1
^Cchage flag 0 to 1
^Cchage flag 0 to 1

优化情况下(gcc test.c -o test -O2,优化等级为O2),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其实因为优化,被放在了CPU寄存器当中。所以即使我们更新了flag在内存中的值,它在寄存器中的值依旧是0。如何解决呢?需要 volatile

[ysj@localhost code_test]$ cat sig.c
#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;


[ysj@localhost code_test]$ cat Makefile
sig:sig.c
	gcc -o sig sig.c -O2
.PHONY:clean
clean:
	rm -f sig

[ysj@localhost code_test]$ ./sig
^Cchage flag 0 to 1
process quit normal
  • 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 ,不能从中间的存储位置操作

SIGCHLD信号

进程讲过用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。

总结:子进程退出时会向父进程发送SIGCHLD信号,倘若父进程忽略该信号,子进程自动释放其资源,就不会进入僵尸状态

验证:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

//父进程执行handler
void handler(int sig)

    pid_t id;
    
    //等待任一子进程(当前只有一个),当子进程已回收,则返回-1退出while循环
    while( (id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0)
    
    	printf("wait child success: %d\\n", id);
	
    
	printf("child is quit! %d\\n,and send a sig:%d\\n", getpid(), signo);


int main()

    signal(SIGCHLD, handler);//将SIGCHLD信号的处理方式改为自定义
    pid_t cid;
    
    //子进程睡眠3s退出
    if((cid = fork()) == 0)//child
    
        printf("child : %d\\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
	
    
    //父进程的执行,死循环的过程中,子进程退出,所以收到SIGCHLD信号,进入handler函数
    while(1)
    
        printf("father proc is doing something!\\n");
        sleep(1);
    
    
	return 0;

以上是关于进程信号——阻塞与捕捉信号的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Linux:详解进程信号(信号的捕捉流程,信号的阻塞volatile关键字)

Linux进程信号

Linux进程信号

进程信号的本质与处理

Linux进程信号

Linux篇第十二篇——信号(概念+信号的产生+阻塞信号+捕捉信号)