Linux系统编程 Part7（信号）

相关概念

信号是软件层面上的“中断”。一旦信号产生，无论程序执行到什么位置，必须立即（用户感觉是立即，其实是要等待一个从用户区进入内核区的契机，站在CPU的时间量级上具有延迟性）停止运行，转而去处理信号，等信号处理结束，再继续执行后续指令。

每个进程收到的所有信号，都是由内核发送并处理的

与信号相关的事件和状态

产生信号：

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

递达：内核产生信号后，递送并且送达到进程，直接被内核处理

未决：产生与递达之间的状态，主要由于阻塞（屏蔽）导致该状态

从宏观上看，可以把递达与处理划等号，信号被递达了内核就处理，但从cpu时间量级的角度看，每个信号都会经历未决状态，因为当信号产生后，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1（此时该信号就处于未决状态），如果此信号在阻塞信号集中未被屏蔽，未决信号集中描述该信号的位会再翻转为0，内核就去处理该信号，这个过程及其短暂。

信号处理方式：

执行默认处理动作（每一个信号都有自己的默认处理动作）
忽略（丢弃）
捕捉（自定义处理函数）

Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体，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，主要是阻塞信号集和未决信号集

阻塞信号集(信号屏蔽字)：本质是位图，用来记录信号的屏蔽状态。被屏蔽的信号（0→1）会一直处于未决态，直到解除屏蔽（1→0）再对该信号进行处理

未决信号集：本质是位图，用来记录信号的处理状态。信号产生后由于某些原因（主要是阻塞）不能抵达（即未被处理），这类信号的集合称为未决信号集。当信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1（默认为0），表示信号处于未决状态，当信号被处理后再翻转为0，这一时刻非常短暂。

信号四要素

编号（即value，不同操作系统可能不同）
- 可通过命令kill -l查看各个信号的名称和对应编号
- 1~31是常规信号，34~64是实时信号
名称：宏名（可屏蔽平台差异）
对应事件（只有对应事件发生后，该信号才会被内核发送，但不一定被递达，也就无法处理）
默认处理动作
- 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（查验进程死亡原因，用于gdb调试）
- Stop：停止（暂停）进程
- Cont：继续运行进程

特别强调，9）SIGKILL和19）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

常规信号一览表

可通过命令man 7 signal查看帮助文档获取各个信号的四要素

信号的产生

终端按键产生信号

Ctrl+c → 2）SIGINT（终止/中断） “INT”即interrupt
Ctrl+z → 20）SIGTSTP（暂停/停止） “T”即terminal
Ctrl+\ → 3）SIGQUIT（退出）

硬件异常产生信号

非法访问内存（段错误）、除0（浮点数例外）、内存对齐出错（总线错误）

函数调用产生信号

kill函数

给指定进程发送指定信号（不一定是杀死）

int kill(pid_t pid, int signum)

参数：

signum：待发送的信号（不推荐使用数字，应该使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致）
pid：被发送信号的进程的PID
- ＞0：发送信号给指定的进程
- =0：发送信号给与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程
- ＜0：取绝对值，发送信号给该绝对值所对应的进程组的所有进程
- =-1：发送信号给系统中有权限发送的所有进程

返回值：

0：成功
-1：失败

kill命令产生信号：kill -SIGKILL pid 比如：kill -9 10426

raise函数

int raise(int sig); 给当前进程发送指定信号

abort函数

void abort(void); 给当前进程发送SIGABRT信号

软件条件产生信号

alarm函数

unsigned int alarm(unsigned int seconds); 使用自然计时法，定时发送14）SIGALRM信号给当前进程

参数seconds：定时秒数
返回值：上次定时的剩余时间（无错误情况）

常用alarm(0)来取消定时器

ps：每个进程都有且只有唯一一个定时器

time 命令：查看程序执行时间，比如：time ./my_alarm

实际时间 = 用户时间 + 内核时间 + 等待时间（最长） ——> 程序运行的瓶颈在于IO，因此优化程序，首先优化IO

setitimer函数

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

设置定时器，可以实现周期定时，时间控制可以达到微秒级别

参数：

which
- ITIMER_REAL：采用自然计时 ——> 14）SIGALRM 即计算自然时间
- ITIMER_VIRTUAL: 采用用户（虚拟）空间计时 ——> 26）SIGVTALRM 即计算进程占用cpu的时间
- ITIMER_PROF: 采用内核+用户空间计时 ——> 27）SIGPROF 即计算进程占用cpu以及执行系统调用的时间
old_value：传出参数，上次定时剩余时间
new_value：定时秒数

struct itimerval {
    struct timeval {
    time_t      tv_sec;         /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */

    }it_interval;---> 周期定时秒数

    struct timeval {
    time_t      tv_sec;         
    suseconds_t tv_usec;        

    }it_value;  ---> 第一次定时秒数  
};

返回值：

成功：0
失败：-1，errno

信号集操作函数

信号集设定

sigset_t set;  自定义信号集 

sigemptyset(sigset_t *set);  信号集中所有位全部置0

sigfillset(sigset_t *set);  信号集中所有位全部置1

sigaddset(sigset_t *set, int signum);  将一个信号添加到集合中，0→1

sigdelset(sigset_t *set, int signum);  将一个信号从集合中移除，1→0

sigismember（const sigset_t *set，int signum);  判断一个信号是否在集合中， 在→1， 不在→0

sigprocmask函数

设置信号屏蔽字或者解除屏蔽

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

参数：

how：
- SIG_BLOCK：设置阻塞
- SIG_UNBLOCK：取消阻塞
- SIG_SETMASK：用自定义set替换mask
传入参数set：自定义的set
传出参数oldset：将老的mask保存

返回值：

成功：0
失败：-1，设置errno

sigpending函数

读取当前进程的未决信号集（未决信号集不能直接修改，只能通过修改阻塞信号集来影响它）

int sigpending(sigset_t *set);

传出参数set：传出的未决信号集

返回值：

成功：0
失败：-1，设置errno

编程练习：使用信号集操作函数把Ctrl+z设置为屏蔽

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/mman.h>
#include<dirent.h>
#include<errno.h>
#include<signal.h>

void sys_err(const char *str) {
    perror(str);
    exit(1);
}

void print_set(const sigset_t *set) {
    int i = 0;
    for(i = 1; i <= 32; i++) {
        if(sigismember(set, i)) putchar('1');
        else putchar('0');
    }
    printf("\n");
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    sigset_t set, oldset, pedset;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGTSTP);

    int ret = 0;
    ret = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset);
    if(ret == -1) sys_err("sigprocmask error");

    while(1) {
        ret = sigpending(&pedset);
        if(ret == -1) sys_err("sigpending error");
        print_set(&pedset);
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

ps：这时使用Ctrl+z已经无法终止该程序了，只能先ps aux找到进程PID，再用kill -9 pid来杀死

※信号捕捉

signal函数

注册一个信号捕捉函数

typedef void (*sighandler_t)(int); //函数指针

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

ps：signal函数使用的不是通用标准，因此尽量避免使用，用更规范的sigaction函数

※sigaction函数

修改信号处理动作（通常在Linux中用它来注册一个信号捕捉函数）

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

返回值：

成功：0
失败：-1，设置errno

参数：

signum：要修改的信号
传入参数act：新处理动作
传出参数oldact：旧处理动作（如果不需要旧处理动作，可以传NULL）

结构体：

struct sigaction {
    void　(*sa_handler)(int); //捕捉函数名（同signal函数的参数），也可以用宏：SIG_IGN表忽略，SIG_DFL表执行默认动作
    void　(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //指定带参数的信号捕捉函数（基本用不到）
    sigset_t　sa_mask; //只作用于信号捕捉函数执行期间的信号屏蔽字
    int　sa_flags; //一般设为0，表示本信号屏蔽
};

编程练习：用sigaction函数完成信号捕捉

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/mman.h>
#include<dirent.h>
#include<errno.h>
#include<signal.h>

void sys_err(const char *str) {
    perror(str);
    exit(1);
}

void sig_catch(int signo) { //捕捉回调函数
    printf("catch you!%d\n", signo);
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    struct sigaction act, oldact;
    act.sa_handler = sig_catch; //设置捕捉回调函数
    sigemptyset(&act.sa_mask); //设置屏蔽字清空，只在捕捉函数工作时有效
    act.sa_flags = 0; //设置默认属性

    int ret = sigaction(SIGTSTP, &act, &oldact); //注册信号捕捉函数
    if(ret == -1) {
        sys_err("sigaction error!");
    }

    while(1);

    return 0;
}

信号捕捉特性

捕捉函数执行期间，信号屏蔽字由PCB中默认的mask转为sa_mask，捕捉函数执行结束后，再恢复回mask
捕捉函数执行期间，被捕捉的这个信号自动被屏蔽(前提是设置sa_flags = 0)
捕捉函数执行期间，被屏蔽的信号即使发送多次，解除屏蔽后只处理一次，即常规信号不支持排队

内核实现信号捕捉

SIGCHLD信号

SIGCHLD的产生条件

子进程终止时
子进程接收到SIGSTOP信号停止时
子进程处在停止态，接收到SIGCONT后唤醒时

总结：子进程基本上稍微有点动静就要发SIGCHLD信号告诉他爹

借助SIGCHLD信号回收子进程

子进程结束运行，其父进程会收到SIGCHLD信号。该信号的默认处理动作是忽略，可以捕捉该信号，在捕捉函数中完成子进程状态的回收

使用SIGCHLD信号回收子进程比直接调用wait函数来回收子进程有几个明显的优势：

非阻塞操作：在等待子进程结束时，如果直接调用 wait，父进程会被阻塞，直到有子进程终止。而使用 SIGCHLD 信号，父进程可以继续执行其他任务，而不必等待子进程结束。
响应性：通过使用信号机制，父进程可以对子进程的状态变化作出更迅速的反应。例如，当子进程终止时，父进程可以立即处理这个事件，而不需要定期检查子进程的状态。
避免忙等：如果使用轮询的方法（例如循环调用 wait），可能会导致 CPU 资源的浪费。使用 SIGCHLD 信号可以避免这种情况，因为它是基于事件驱动的。

※编程练习：借助SIGCHLD信号回收子进程

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/mman.h>
#include<dirent.h>
#include<errno.h>
#include<signal.h>

void sys_err(const char *str) {
    perror(str);
    exit(1);
}

void catch_child(int signo) { //有子进程终止，发送SIGCHLD信号时，该函数会被内核回调
    pid_t wpid;
    int status;

    while((wpid = waitpid(-1, &status, 0)) != -1) { //循环回收，防止多个子进程同时死亡，导致僵尸进程
        if(WIFEXITED(status)) {
            printf("-------catch child, id = %d, ret = %d\n", wpid, WEXITSTATUS(status)); //回收成功
        }
    }
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pid_t pid;

    //先把SIGCHLD信号设置阻塞，防止父进程捕捉函数还没注册成功，子进程就先死了
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGCHLD);

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

    int i = 0;
    for(i = 0; i < 5; i++) {
        if((pid = fork()) == 0) break;
    }

    if(i == 5) {
        struct sigaction act;
        act.sa_handler = catch_child;
        sigemptyset(&act.sa_mask);
        act.sa_flags = 0;

        sigaction (SIGCHLD, &act, NULL);

        //如果在捕捉函数注册成功前，有子进程死亡，但是SIGCHLD信号已经被屏蔽
        //因此父进程不予理会，等待函数注册完毕，解除阻塞后，如果有多个SIGCHLD信号发送给父进程
        //处理程序也只会会被调用一次，因为普通信号不支持排队，但是因为给wait()函数加上了while循环
        //这一次调用就可以处理在那个时间段所有已终止的子进程

        //捕捉函数注册好了，解除阻塞
        sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);

        printf("i am parent, pid = %d\n", getpid());
        while(1); //让父进程先别结束
    } else {
        printf("i am child, pid = %d\n", getpid());
        return i;
    }

    return 0;
}

慢速系统调用被信号中断

系统调用可分为两类：

慢速系统调用：可能会使进程永远阻塞的一类，如果在阻塞期间收到一个信号，该系统调用就被中断，不再继续执行（早期），也可以设定系统调用是否重启。比如：read、write、pause、wait等等
其他系统调用：getpid、getppid、fork等等

慢速系统调用阻塞期间，中断慢速系统调用的信号不能被屏蔽、忽略，该信号必须被捕捉，信号处理完再回到系统调用

被信号中断后返回－１，设置errno为EINTR，可以修改sa_flags参数来设置被信号中断后是否重启系统调用：

不重启：SA_INTERRURT
重启：SA_RESTART

相关概念

与信号相关的事件和状态

信号四要素

常规信号一览表

信号的产生

终端按键产生信号

硬件异常产生信号

函数调用产生信号

软件条件产生信号

信号集操作函数

信号集设定

sigprocmask函数

sigpending函数

※信号捕捉

signal函数

※sigaction函数

信号捕捉特性

内核实现信号捕捉

SIGCHLD信号

SIGCHLD的产生条件

借助SIGCHLD信号回收子进程

慢速系统调用被信号中断

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相关概念

与信号相关的事件和状态

信号四要素

常规信号一览表

信号的产生

终端按键产生信号

硬件异常产生信号

函数调用产生信号

软件条件产生信号

信号集操作函数

信号集设定

sigprocmask函数

sigpending函数

※信号捕捉

signal函数

※sigaction函数

信号捕捉特性

内核实现信号捕捉

SIGCHLD信号

SIGCHLD的产生条件

借助SIGCHLD信号回收子进程

慢速系统调用被信号中断

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