Linux操作系统进程信号

Posted 2022-12-08 Ricky_0528

文章目录

• • 3. 信号的保存
  • • 3.1 信号在内核中的表示示意图
    • 3.2 sigset_t
    • 3.3 信号集操作函数
    • 3.4 sigprocmask
    • 3.5 sigpending
  • 4. 信号的处理
  • • 4.1 自定义捕捉
    • 4.2 signal
    • 4.3 sigaction
  • 5. 可重入函数
  • 6. volatile
  • 7. SIGCHLD

3. 信号的保存

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)

  • 自定义捕捉
  • 默认
  • 忽略

• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决(Pending)

  • 本质是这个信号被暂存在task_struct信号位图中，未决

• 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号

  • 本质是操作系统允许进程暂时屏蔽指定的信号

    • 该信号依旧是未决的

    • 该信号不会被递达，直到解除阻塞，方可递达

      递达中的忽略 跟 阻塞 有啥区别

      • 忽略是递达的一种方式
      • 阻塞是没有被递达，是一个独立的状态

• 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

3.1 信号在内核中的表示示意图

SIG_DFL：默认 SIG_IGN：忽略

默认动作其实就是被强转的0，忽略动作为1

pending位图保存的是已经收到但还没有被递达的信号，会在合适的时机执行handler中的方法，即完成递达

block表本质上也是位图结构——uint32_t block;，比特位的位置代表信号的编号，比特位的内容代表信号是否被阻塞

block位图称作阻塞位图，也叫信号屏蔽字，表示哪些信号不应该被递达，知道解除阻塞

handler为函数指针数组，每个信号的编号就是该数组的下标

3.2 sigset_t

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

虽然sigset_t是一个位图结构，但是不同的操作系统实现是不一样的，不能让用户直接修改该变量，应该使用特定的函数

sigset_t声明的变量同样也保存在用户栈上，与之前的int、double没有任何区别

3.3 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);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);

• 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信号
• 函数sigfillset初始化set所指向的信号集，使系统支持的所有信号都加入到该集合内，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号
• 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
• 前四个函数的返回值都是成功返回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

3.4 sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字（block表）

set：输入型参数，传入你想设置成的位图

oldset：输出型参数，返回老的block位图

how	作用
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

9号信号被称为管理员信号，不能被屏蔽也不能被自定义捕捉，必须永远遵守默认行为

3.5 sigpending

不会对pending位图做修改，而是单纯的获取进程的pending位图，修改只由操作系统完成

set：输出型参数，pending位图

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

void sig_show(sigset_t *sig)

    int i;
    printf("current pending: ");
    for (i = 1; i < 31; i++) 
        if (sigismember(sig, i)) 
            printf("1");
         else 
            printf("0");
        
    
    printf("\\n");


void handler(int sig)

    printf("%d号信号递达，处理完毕！\\n", sig);


int main()

    signal(2, handler);

    sigset_t iset, oset;

    sigemptyset(&iset);
    sigemptyset(&oset);

    sigaddset(&iset, 2);

    sigprocmask(SIG_SETMASK, &iset, &oset);
    
    sigset_t pending;
    int count = 0;
    while (1) 
        sigemptyset(&pending);

        sigpending(&pending);

        sig_show(&pending);
    
        sleep(1);
        
        count++;
        if (count == 5) 
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);
            printf("2号信号取消阻塞！\\n");
        
    

    return 0;

4. 信号的处理

信号是被保存在进程的PCB中，pending位图里的，对其的处理分为：检测、递达（默认、忽略、自定义）

当进程从内核态返回到用户态的时候，进行上面的检测并处理工作

内核态：执行OS的代码和数据时，计算机所处的状态就叫做内核态。OS代码的执行全都是在内核态

用户态：就是用户代码和数据被访问或者执行的时候所处的状态，我们自己写的代码全都是在用户态执行的

主要区别：主要在于权限

感性的理解

用户调用系统函数的的时候，除了进入函数，身份也会发生变化，用户身份变成了内核身份

理性的认识

用户的身份是以进程为代表的

用户的数据和代码一定要被加载到内存，OS的数据和代码也一定要被加载到内存中的，这个工作由页表来完成

地址空间中的用户空间由用户级页表负责映射到物理内存当中，不同进程对应的用户级页表各不相同，而内核空间由系统级页表——内核页表映射到物理内存当中，这个内核页表被所有进程共享

进程具有了地址空间是能够看到用户和内核的所有内容的，但不一定能访问

CPU内有寄存器保存了当前进程的状态

• 用户态使用的是用户级页表，只能访问用户数据和代码

• 内核态使用的是内核级页表，只能访问内核级的数据和代码

进程之间无论如何切换，我们能够保障一定能找到同一个OS，因为每个进程都有3~4G的地址空间，而且使用同一张内核页表

所谓的系统调用就是进程的身份转化成为内核，然后根据内核页表找到系统函数，执行就可以了

在大部分情况下，实际OS都是可以在进程的上下文中直接运行的

4.1 自定义捕捉

默认和忽略都不需要再从内核态转到用户态，直接在内核态就可以完成

可以抽象为

内核为什么不直接执行用户的代码，而要切换到用户态来执行

因为操作系统不相信任何人，操作系统身份特殊，不能直接执行用户的代码（OS权限太大）

4.2 signal

typedef void (*sighandler_t)(int)：为一个函数指针

signum：信号对应的整型值

handler：修改进程对信号的默认处理动作

4.3 sigaction

修改的是handler函数指针数组

act：输入型参数

oact：输出型参数，待会老的信号处理方法，不需要置NULL

• sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。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

sigaction结构体

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。 sa_flags字段包含一些选项，可以暂时将sa_flags设为0，sa_sigaction是实时信号的处理函数

5. 可重入函数

在信号捕捉的时候再次插入了节点，这是就会导致有两个节点被同时插入了，head头指针只能指向一个节点，另一个节点就造成了内存泄漏

• insert函数一旦重入，有可能出现问题，该函数被称为不可重入函数
• insert函数一旦重入，不会出现问题，该函数被称为可重入函数
• 我们学到的大部分函数，STL、boost库中的函数，大部分都是不可重入的

6. volatile

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

volatile int flag = 0;

void handler(int signo)

    flag = 1;
    printf("flag has changed to 1\\n");


int main()

    signal(2, handler);

    while (!flag);

    printf("exit success\\n");

    return 0;

mytest:test.c 
	gcc $^ -o $@ -O3 
.PHONYE:clean
clean:
	rm -f mytest

加上O3优化之后，如果没有使用volatile修饰flag，会出现如下情况，发送2号信号时，flag的值好像并没有被改变

加上volatile之后

加上优化之后，编译器发现在main函数中并没有对flag进行修改，因此将其放到了寄存器中以提高程序执行效率，但这就相当于在CPU与内存之间建立了一道屏障，handler中修改flag的值是修改的内存中的，而在main函数中，while循环读取的是寄存器中的flag值，这就造成了上面的现象

volatile的作用就是告诉编译器，不要对我这个变量做任何的优化，必需贯穿式的读取内存，不要读取中间缓冲区寄存器中的数据，即保存内存的可见性

7. SIGCHLD

子进程退出的时候会向父进程发送SIGCHLD信号，也就是说收到了SIGCHLD信号就知道子进程就退出了

显式设置忽略子进程的SIGCHLD，子进程退出就不会变成僵尸进程，也就不需要我们去进程等待

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

int main()

    // 显式设置忽略17号信号，当进程退出后自动释放僵尸进程，也就不需要我们去wait，如果我们不需要获取退出码的话
    // 只在Linux下有效
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

    pid_t id = fork();
    if (id == 0) 
        // child
        int cnt = 5;
        while(cnt) 
            printf("I am child process: %d\\n", getpid());
            sleep(1);
            cnt--;
        
        exit(0);
    

    // parent
    while(1);

    return 0;