Linux 异步信号处理机制

信号

概述

信号是软件中断。
信号是linux系统下的异步处理机制。
例如：在终端按写某些按键时，会通过信号机制停止一个程序。

首先，每个信号都有一个名字，都以SIG开头，通过 kill -l 可以查看

其中有很多常见信号
SIGINT ：当我们在终端按下 CTRL+C 时就会产生一个 SIGINT 信号。
SIGQUIT ：CTRL+\
SIGTSTP ：CTRL+Z
SIGCHLD ：子进程退出时会给父进程发送该信号。
还有很多例如 SIGABRT，SIGALRM也很常见，自行查阅。

信号基本概念

• 发送信号 ：
  产生信号，有多种发送信号的方式：

  • 一个进程向另一个进程发送一个特定信号。
  • 内核向用户进程发送一个信号。
  • 一个进程向自己发送一个信号。

• 安装中断
  设置信号 到达时不再执行默认操作，而是执行自定义的代码。

• 递送信号
  一个信号被操作系统发送到目标进程。

• 捕获信号
  被递送的信号在目标进程引起某段处理程序的执行。

• 屏蔽信号
  进程告诉操作系统暂时不接收某些信号，如果在屏蔽期间向进程发送被屏蔽的信号，则该信号不会被进程捕获。一段时间后，如果进程解除该信号的屏蔽，该信号将被捕获 。

• 忽略信号
  进程被递送到目标进程，但目标进程不处理，直接丢弃。
• 未决信号
  信号已经产生，但因目标进程暂时屏蔽该信号而不能被目标进程捕获的信号 。
• 可靠信号与不可靠信号
  编号小于32的信号为不可靠信号 ，大于32的信号为可靠信号。
  如果进程在屏蔽某个信号的时间内，其他进程多次向其发送同一个信号，不可靠信号只有一次未决记录，当进程解除屏蔽时，该信号只会被捕获一次。而可靠信号操作系统或记录所有的发送，当进程解除屏蔽后，操作系统会捕获对等次数。

信号产生的方式

1. 用户按某些终端键时将产生信号
   如在终端上按 “Ctrl + c”产生的终止信号。
2. 硬件异常产生信号
   由硬件检测并通知内核，例：除0操作，CPU 的运算单元产生异常，内核将其解释为 SIGFPE 信号。例：对一个无效存储的访问，MMU会产生一个异常，内核将其解释为 SIGSEGV 信号。
3. 终止进程信号
   其他进程调用 kill() 函数可将信号发送给另一个进程或进程组。
4. 软件异常产生信号
   例：在管道的读进程已终止，后一个进程写此管道，会产生 SIGPIPE 信号。

信号处理方式

1. 忽略此信号
   大多数信号可以使用这种方式进行处理，但是 SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被忽略，它们用于向超级用户提供一种使进程终止或停止的可靠方法。
2. 自定义捕捉信号
   当某信号到来时，执行用户自定义的操作，要求该进程先安装该信号，即通知内核在某种信号发生时调用一个特殊函数。
3. 执行系统默认操作
   Linux系统对任何一个信号都规定了一个默认的操作。

信号在内核中的表示

信号在目的进程被注册，操作系统将信号添加到目的进程的PCB相关的数据结构中未决信号的数据成员 struct sigpending pending

struct sigpending{
    struct sigqueue *head,**tail;
    sigset_t signal; // 未决信号集
};
struct sigqueue{  // 未决信号队列
    struct sigqueue *next;
    siginfo_t info;
};

信号操作

kill

我们利用 kill 指令杀死一个进程。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    while(1){
        printf("pid = %d\n",getpid());
        sleep(1);                                                                               
    }
    return 0;
}

同样我们也可以在其他进程中调用kill函数杀死当前进程。

int kill(pid_t pid, int sig);
第一个参数为要传递信号的进程号，第二个参数为发送的信号值
pid > 0 : 将信号发送给进程的PID值为pid的进程
pid = 0 : 将信号发送给和当前进程在同一进程组的所有进程
pid = -1: 将信号发送给系统内调用者可以发送信号的所有进程
pid < 0 : 将信号发送给进程组号 PGID 为 pid 绝对值的所有进程
如果完成返回0，否则返回 -1，并设置 errno

测试:

alarm

alarm() 函数用来传递定时信号 SIGALRM，该信号的默认处理动作是终止当前进程。

unsigned int alarm(unsigned int seconds);
在 second 秒内发送 SIGALRM 信号给当前进程
second = 0 取消之前所有先前发出的报警请求

如果在调用 alarm 函数之前没有调用过 alarm 函数，则执行成功返回值为0，否则返回 -1。
如果在调用 alarm 函数之前调用过 alarm 函数，则将重新设置调用进程的闹钟。如果执行成功，将以当前时间为基准，返回值为上次设置的 alarm 将在多少时间内产生 SIGALRM 信号。失败返回 -1.

signal

sighandler_t signal(int sig, sighandler_t handler);
第一个参数为接收到的信号
第二个参数为接收到此信号后的处理代码入口
如果执行成功，此函数返回针对此信号的上一次设置

由于signal正在逐步被淘汰，所以我们着重介绍 sigaction

sigaction

int sigaction(int sig, struct sigaction* act, struct sigaction *oact)
第一个参数为接收到的信号
第二，三个参数均为信号结构 sigaction 变量
第二个参数用来指定欲设置的信号处理方式
第三个参数将存储执行此函数前针对此函数的安装信息

struct sigaction{
    union{
        sighandler sa_handler;  // SIG_DFL SIG_INT 信号
        void (*sa_sigaction)(int sig, struct siginfo*, void *);
    }_u; //信号捕获函数
    sigset_t sa_mask; // 屏蔽信号集
    unsigned long sa_flags; // 标志
    void (*sa_restorer)(void); // 无使用
};
sa_flags:
    SA_NOCLDSTOP : 子进程退出时不生成 SIGCHLD 信号
    SA_ONSTACK : 与备用信号堆栈相关
    SA_RESETHAND，SA_RESTART，SA_SIGINFO 等自行查阅

信号操作集函数

设置进程屏蔽信号集

sigprocmask() 函数

int sigprocmask(int how, const sigset_t set, sigset_t oset);
第一个参数为更改该集的方式
SIG_BLOCK   将第二参数所描述的集合添加到当前进程屏蔽的信号集合中
SIG_UNBLOCK 将第二参数所描述的集合从当前进程屏蔽的信号集中删除
SIG_SETMASK 无视之前的屏蔽集合，设置当前进程屏蔽的集合为第二个参数描述的对象

获取当前未决信号

sigpending()

int sigpending(sigset_t *set);

成功返回0，将未决信号添加到 set 中，否则返回 -1

清空信号集

sigemptyset()函数

int sigemptyset(sigset_t *set);
清空信号集

sigfillset() 函数

int sigfillset(sigset_t *set);
完全清空信号集

添加信号到信号集中

sigaddset()函数

int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
第一个参数为添加信号的信号集，第二个参数为添加的信号

从信号集中删除信号

sigdelset()函数

int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
第一个参数为删除信号的信号集，第二个参数为删除的信号

检测信号是否在信号集中

sigisemember()

int sigissemptyset(const sigset_t *set, int _signo);