进程信号——阻塞与捕捉信号
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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_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 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 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