Linux信号专题一什么是信号

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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Linux信号专题一什么是信号相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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信号相关的概念

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1. 信号的概念

信号在生活中随处可见，比如体育比赛中使用的信号枪、我给你传递一个眼神（你懂的哈哈哈），等等。这些信号都有一些共同点：一是简单；而是不能携带大量信息；三是满足某个特设条件才发送。

信号是信息的载体，是Linux/UNIX 环境下，古老而经典的通信方式， 现在依然是主要的通信手段。Unix早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T都对信号模型做了更改，增加了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1对可靠信号例程进行了标准化。

2. 信号的实现机制

进程A给B发送信号，B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断，早期常被称为“软中断”。信号具有这样的特质，由于信号是通过软件方法实现，其实现手段导致信号有很强的延时性，但是对于用户来说，这个延迟时间非常短，不易察觉。

每个进程收到的所有信号，本质上都是由内核负责发送的，由内核去处理，我们名义上说是进程A发送信号给进程B，实质上信号是由内核产生，由内核发送，并由内核处理的。进程收到信号要无条件处理信号，并且可以选择忽略（忽略也是对信号的一种处理）、捕捉、处理信号默认的动作等。

3. 信号相关的一些琐碎知识点

3.1 产生信号的方式

  • 按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\\
  • 系统调用产生，如：kill、raise、abort
  • 软件条件产生，如：定时器alarm，setitimer
  • 硬件异常产生，如：非法访问内存(段错误)、浮点型错误、除0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)、SIGPIPE
  • 命令产生，如：kill命令

3.2 信号的状态

  • 产生：
  • 递达：递送并且到达进程。
  • 未决：产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。

3.3 信号的处理方式

  • 执行默认动作

  • 忽略(丢弃)

  • 捕捉(调用户处理函数)，捕获可以说是学习信号最重要的原因之一，当我们的程序产生比如段错误、总线错误等等，程序会异常终止，我们通过捕获可以捕获到这种错误，并使程序不终止。

3.4 PCB中的信号相关信息

Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体task_struct，除了包含进程id、状态、工作目录、用户id、组id、文件描述符表、还包含了信号相关的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。

  • 阻塞信号集：也叫信号屏蔽字，将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽某个信号后，再收到该信号，该信号的处理将推后(解除屏蔽后)。

  • 未决信号集:

    • 信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1，表信号处于未决状态；当信号被处理对应位翻转回为0，这一时刻往往非常短暂。
    • 信号产生后由于某些原因主要是阻塞不能抵达，这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态。

未决信号集就是没有被处理的信号，未决信号集实际上是一个32位数，每一位代表一个信号，当信号产生的时候，就把对应的位反转为1，如果该信号未被处理就反转回0，处理了就保持为1。

而阻塞信号集会影响到未决信号集，比如说我在阻塞信号集中将2号信号为置为1，也就是将2号信号屏蔽，那么未决信号集中2号信号对应的位就会变为1（未决状态），一直阻塞在这种状态。

3.5 信号的编号

可以使用 kill –l 命令查看当前系统有哪些可用信号

不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为实时信号，驱动编程与硬件相关，这些信号名字类似。

3.6 信号四要素

每个信号必须要有的四个要素：

  • 编号
  • 名称
  • 事件
  • 默认处理动作，信号的默认动作主要有：
    • Term：终止进程
    • Ign： 忽略信号 ，默认即时对该种信号忽略操作
    • Core：终止进程，生成Core文件，主要是查验进程终止原因， 用于gdb调试
    • Stop：停止（暂停）进程
    • Cont：继续运行进程

3.7 信号帮助文档

可通过 man 7 signal 查看帮助文档获取标准信号信息表

在标准信号中，有一些信号是有三个 “Value”，第一个值通常对alpha和sparc架构有效，中间值针对x86、arm和其他架构，最后一个应用于mips架构。一个 ‘-’ 表示在对应架构上尚未定义该信号。我们主要关注中间的那个值。

不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在Unix系统内，也出现在Linux中，而有的信号出现在FreeBSD或 Mac OS 中却没有出现在Linux下。这里我们只研究Linux系统中的信号。

注意从 man 7 signal 帮助文档中可看到 : The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored. 这里特别强调了SIGKILL 和SIGSTOP信号，不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。另外需清楚，只有每个信号所对应的事件发生了，该信号才会被递送(但不一定递达)。


Linux进程间通信——使用信号量(转)

这篇文章将讲述别一种进程间通信的机制——信号量。注意请不要把它与之前所说的信号混淆起来，信号与信号量是不同的两种事物。有关信号的更多内容，可以阅读我的另一篇文章：Linux进程间通信——使用信号。下面就进入信号量的讲解。

 
一、什么是信号量
为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法，它可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。
 
信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。最简单的信号量是只能取0和1的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二进制信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。这里主要讨论二进制信号量。
 
二、信号量的工作原理
由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：
P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行
V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.
 
举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。
 
三、Linux的信号量机制
Linux提供了一组精心设计的信号量接口来对信号进行操作，它们不只是针对二进制信号量，下面将会对这些函数进行介绍，但请注意，这些函数都是用来对成组的信号量值进行操作的。它们声明在头文件sys/sem.h中。
 
1、semget函数
它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量，原型为：
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);  
第一个参数key是整数值（唯一非零），不相关的进程可以通过它访问一个信号量，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有信号量的访问都是间接的，程序先通过调用semget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的信号标识符（semget函数的返回值），只有semget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值，key将负责协调工作。
 
第二个参数num_sems指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。
 
第三个参数sem_flags是一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。
 
semget函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1.
 
2、semop函数
它的作用是改变信号量的值，原型为：
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);  
sem_id是由semget返回的信号量标识符，sembuf结构的定义如下：
 
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. struct sembuf{  
  2.     short sem_num;//除非使用一组信号量，否则它为0  
  3.     short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，一个是-1，即P（等待）操作，  
  4.                     //一个是+1，即V（发送信号）操作。  
  5.     short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，  
  6.                     //并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量  
  7. };  
3、semctl函数
该函数用来直接控制信号量信息，它的原型为：
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);  
如果有第四个参数，它通常是一个union semum结构，定义如下：
 
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. union semun{  
  2.     int val;  
  3.     struct semid_ds *buf;  
  4.     unsigned short *arry;  
  5. };  
前两个参数与前面一个函数中的一样，command通常是下面两个值中的其中一个
SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。p 这个值通过union semun中的val成员设置，其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。
IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。
 
四、进程使用信号量通信
下面使用一个例子来说明进程间如何使用信号量来进行通信，这个例子是两个相同的程序同时向屏幕输出数据，我们可以看到如何使用信号量来使两个进程协调工作，使同一时间只有一个进程可以向屏幕输出数据。注意，如果程序是第一次被调用（为了区分，第一次调用程序时带一个要输出到屏幕中的字符作为一个参数），则需要调用set_semvalue函数初始化信号并将message字符设置为传递给程序的参数的第一个字符，同时第一个启动的进程还负责信号量的删除工作。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。
 
在main函数中调用semget来创建一个信号量，该函数将返回一个信号量标识符，保存于全局变量sem_id中，然后以后的函数就使用这个标识符来访问信号量。
 
源文件为seml.c，代码如下：
 
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <sys/types.h>  
  3. #include <sys/stat.h>  
  4. #include <fcntl.h>  
  5. #include <stdlib.h>  
  6. #include <stdio.h>  
  7. #include <string.h>  
  8. #include <sys/sem.h>  
  9.   
  10. union semun  
  11. {  
  12.     int val;  
  13.     struct semid_ds *buf;  
  14.     unsigned short *arry;  
  15. };  
  16.   
  17. static int sem_id = 0;  
  18.   
  19. static int set_semvalue();  
  20. static void del_semvalue();  
  21. static int semaphore_p();  
  22. static int semaphore_v();  
  23.   
  24. int main(int argc, char *argv[])  
  25. {  
  26.     char message = ‘X‘;  
  27.     int i = 0;  
  28.   
  29.     //创建信号量  
  30.     sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);  
  31.   
  32.     if(argc > 1)  
  33.     {  
  34.         //程序第一次被调用，初始化信号量  
  35.         if(!set_semvalue())  
  36.         {  
  37.             fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");  
  38.             exit(EXIT_FAILURE);  
  39.         }  
  40.         //设置要输出到屏幕中的信息，即其参数的第一个字符  
  41.         message = argv[1][0];  
  42.         sleep(2);  
  43.     }  
  44.     for(i = 0; i < 10; ++i)  
  45.     {  
  46.         //进入临界区  
  47.         if(!semaphore_p())  
  48.             exit(EXIT_FAILURE);  
  49.         //向屏幕中输出数据  
  50.         printf("%c", message);  
  51.         //清理缓冲区，然后休眠随机时间  
  52.         fflush(stdout);  
  53.         sleep(rand() % 3);  
  54.         //离开临界区前再一次向屏幕输出数据  
  55.         printf("%c", message);  
  56.         fflush(stdout);  
  57.         //离开临界区，休眠随机时间后继续循环  
  58.         if(!semaphore_v())  
  59.             exit(EXIT_FAILURE);  
  60.         sleep(rand() % 2);  
  61.     }  
  62.   
  63.     sleep(10);  
  64.     printf("\n%d - finished\n", getpid());  
  65.   
  66.     if(argc > 1)  
  67.     {  
  68.         //如果程序是第一次被调用，则在退出前删除信号量  
  69.         sleep(3);  
  70.         del_semvalue();  
  71.     }  
  72.     exit(EXIT_SUCCESS);  
  73. }  
  74.   
  75. static int set_semvalue()  
  76. {  
  77.     //用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做  
  78.     union semun sem_union;  
  79.   
  80.     sem_union.val = 1;  
  81.     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)  
  82.         return 0;  
  83.     return 1;  
  84. }  
  85.   
  86. static void del_semvalue()  
  87. {  
  88.     //删除信号量  
  89.     union semun sem_union;  
  90.   
  91.     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)  
  92.         fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");  
  93. }  
  94.   
  95. static int semaphore_p()  
  96. {  
  97.     //对信号量做减1操作，即等待P（sv）  
  98.     struct sembuf sem_b;  
  99.     sem_b.sem_num = 0;  
  100.     sem_b.sem_op = -1;//P()  
  101.     sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
  102.     if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
  103.     {  
  104.         fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");  
  105.         return 0;  
  106.     }  
  107.     return 1;  
  108. }  
  109.   
  110. static int semaphore_v()  
  111. {  
  112.     //这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）  
  113.     struct sembuf sem_b;  
  114.     sem_b.sem_num = 0;  
  115.     sem_b.sem_op = 1;//V()  
  116.     sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
  117.     if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
  118.     {  
  119.         fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");  
  120.         return 0;  
  121.     }  
  122.     return 1;  
  123. }  
运行结果如下：
 
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注：这个程序的临界区为main函数for循环不的semaphore_p和semaphore_v函数中间的代码。
 
例子分析 ：同时运行一个程序的两个实例，注意第一次运行时，要加上一个字符作为参数，例如本例中的字符‘O’，它用于区分是否为第一次调用，同时这个字符输出到屏幕中。因为每个程序都在其进入临界区后和离开临界区前打印一个字符，所以每个字符都应该成对出现，正如你看到的上图的输出那样。在main函数中循环中我们可以看到，每次进程要访问stdout（标准输出），即要输出字符时，每次都要检查信号量是否可用（即stdout有没有正在被其他进程使用）。所以，当一个进程A在调用函数semaphore_p进入了临界区，输出字符后，调用sleep时，另一个进程B可能想访问stdout，但是信号量的P请求操作失败，只能挂起自己的执行，当进程A调用函数semaphore_v离开了临界区，进程B马上被恢复执行。然后进程A和进程B就这样一直循环了10次。
 
五、对比例子——进程间的资源竞争
看了上面的例子，你可能还不是很明白，不过没关系，下面我就以另一个例子来说明一下，它实现的功能与前面的例子一样，运行方式也一样，都是两个相同的进程，同时向stdout中输出字符，只是没有使用信号量，两个进程在互相竞争stdout。它的代码非常简单，文件名为normalprint.c，代码如下：
 
[cpp] view plain copy
 
 print?
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3.   
  4. int main(int argc, char *argv[])  
  5. {  
  6.     char message = ‘X‘;  
  7.     int i = 0;    
  8.     if(argc > 1)  
  9.         message = argv[1][0];  
  10.     for(i = 0; i < 10; ++i)  
  11.     {  
  12.         printf("%c", message);  
  13.         fflush(stdout);  
  14.         sleep(rand() % 3);  
  15.         printf("%c", message);  
  16.         fflush(stdout);  
  17.         sleep(rand() % 2);  
  18.     }  
  19.     sleep(10);  
  20.     printf("\n%d - finished\n", getpid());  
  21.     exit(EXIT_SUCCESS);  
  22. }  
运行结果如下：
 
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例子分析：
从上面的输出结果，我们可以看到字符‘X’和‘O’并不像前面的例子那样，总是成对出现，因为当第一个进程A输出了字符后，调用sleep休眠时，另一个进程B立即输出并休眠，而进程A醒来时，再继续执行输出，同样的进程B也是如此。所以输出的字符就是不成对的出现。这两个进程在竞争stdout这一共同的资源。通过两个例子的对比，我想信号量的意义和使用应该比较清楚了。
 
六、信号量的总结
信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。我们通常通过信号来解决多个进程对同一资源的访问竞争的问题，使在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域，也可以说它是协调进程间的对同一资源的访问权，也就是用于同步进程的。
http://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10243617

以上是关于Linux信号专题一什么是信号的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Linux 多线程编程(二)2019-08-10

Linux信号信号处理和信号处理函数

进程间通信之-信号signal--linux内核剖析

Linux中信号量处理

Linux信号

Linux(程序设计):58---epoll复用技术实现统一处理信号事件源