第六章学习笔记（20191213兰毅达）

第六章学习笔记

一、概述

> 本章讲述了信号和信号处理;介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看待信号;将信号视为进程中断，将进程从正常执行转移到信号处理;解释了信号的来源，包括来自硬件、异常和其他进程的信号;然后举例说明了信号在Unix/Linux中的常见用法;详细解释了Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤;用示例展示了如何安装信号捕捉器来处·理程序异常，如用户模式下的段错误;还讨论了将信号用作进程间通信（IPC)机制的适用性。

二、信号和中断

• 人员中断
  来自硬件的中断：大楼着火，闹钟响了等
  来自其他人的中断：电话响了，有人敲门等。
  自己造成的中断：切到手指,吃得太多等。
  按照紧急程度，中断可分为以下几类:
  不可屏蔽(NMI)：大楼着火!
  可屏蔽：有人敲门等。

• 进程中断
  这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的中断:
  来自硬件的中断:终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。
  来自其他进程的中断:kill(pid，SIG#), death_of_child等。
  自己造成的中断:除以0、无效地址等。
  每个进程中断都被转换为一个唯一ID号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我们始终可限制在一个进程中的中断的数量。Unix/Linux中的进程中断称为信号，编号为1到31。进程的PROC结构体中有对应每个信号的动作函数，进程可在收到信号后执行该动作函数。与人员类似，进程也可屏蔽某些类型的信号，以推迟处理。必要时，进程还可能会修改信号动作函数。

• 硬件中断
  这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源:
  来自硬件的中断:定时器、1/O设备等
  来自其他处理器的中断:FFP、DMA、多处理器系统中的其他CPU
  自己造成的中断:除以О、保护错误、INT指令。
  每个中断都有唯一的中断向量号。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。CPU不会导致任何自己造成的中断(除非出错)。这种中断是由于进程正在使用或在大多数情况下误用CPU造成的。

• 进程的陷阱错误
  进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的，例如除以0、无效地址、非法指令、越权等。当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。

三、Unix/Linux信号示例

• (1)按“Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止。原因如下：
  “Ctr1+C”组合键会生成一个键盘硬件中断。键盘中断处理程序将“Ctrl+C”组合键转换为SIGINT(2)信号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输人的进程。在内核模式下，每个进程都要检查和处理未完成的信号。进程对大多数信号的默认操作是调用内核的kexit(exitValue)函数来终止。在Linux中，exitValue的低位字节是导致进程终止的信号编号。
• (2）用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程仍将继续运行。nobup命令会使sh像往常一样复刻子进程来执行程序，但是子进程会忽略SIGHuP(1)信号。当用户退出时，sh会向与终端有关的所有进程发送一个SIGHUP信号。后台进程在接收到这一信号后，会忽略它并继续运行。为防止后台进程使用终端进行I/O,后台进程通常会断开与终端的连接(通过将其文件描述符0、1、2重定向到/dev/null)，使其完全不受任何面向终端信号的影响。
• (3)用户可以使用sh命令killpid(orkill-s9pia)杀死该程。方法如下。执行杀死的进程向pid标识的目标进程发送一个SIGTERM ( 15 )信号，请求它死亡。目标进程将会遵从请求并终止。如果进程选择忽略SIGTERM信号，它可能拒绝死亡。

四、Unix/Linux信号处理

信号的作用：通知进程异步事件的发生。

在Linux中可以识别29中不同的信号，进程可以显示的用kill或killpg系统调用来向另一个进程发信号。信号发生时，内核中断当前进程，进程执行处理函数来响应信号，信号结束后恢复正常的进程处理。

信号　　　 值　　处理动作　发出信号的原因

SIGHUP 1　　　 　A　　终端挂起或者控制进程终止
SIGINT 2　　　 　A　　键盘中断（如break键被按下）
SIGQUIT 3　　 　 C　　键盘的退出键被按下
SIGILL 4　　 　　C　　非法指令
SIGABRT 6　　　　 C　　由abort(3)发出的退出指令
SIGFPE 8　　　　 C　　浮点异常
SIGKILL 9　　 　 AEF　 Kill信号
SIGSEGV 11　　 　 C　　无效的内存引用
SIGPIPE 13　　 　 A　　管道破裂: 写一个没有读端口的管道
SIGALRM 14　　　 A　　由alarm(2)发出的信号
SIGTERM 15　　　 A　　终止信号
SIGUSR1 30,10,16 A　　用户自定义信号1
SIGUSR2 31,12,17 A　　用户自定义信号2
SIGCHLD 20,17,18 B　　子进程结束信号
SIGCONT 19,18,25 　　　进程继续（曾被停止的进程）
SIGSTOP 17,19,23 DEF　终止进程
SIGTSTP 18,20,24 D　　控制终端（tty）上按下停止键
SIGTTIN 21,21,26 D　　后台进程企图从控制终端读
SIGTTOU 22,22,27 D　　后台进程企图从控制终端写
SIGBUS 10,7,10 C 总线错误(错误的内存访问)
SIGPOLL A Sys V定义的Pollable事件，与SIGIO同义
SIGPROF 27,27,29 A Profiling定时器到
SIGSYS 12,-,12 C 无效的系统调用 (SVID)
SIGTRAP 5 C 跟踪/断点捕获
SIGURG 16,23,21 B Socket出现紧急条件(4.2 BSD)
SIGVTALRM 26,26,28 A 实际时间报警时钟信号(4.2 BSD)
SIGXCPU 24,24,30 C 超出设定的CPU时间限制(4.2 BSD)
SIGXFSZ 25,25,31 C 超出设定的文件大小限制(4.2 BSD)
相关函数：

1.捕捉信号：signal

用于决定系统信号的响应。

格式：

#include <signal.h>
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);
//func为SIG_IGN表示内核忽略此信号
//func为SIG_DFL表示接到此信号的动作时默认动作
//func为函数地址时为捕捉信号

2.发送信号：kill和raise、alarm、getitimer和setitimer、pause

kill：向其他进程发信号

raise：向当前进程发信号

alarm：设置一个时间值（闹钟时间），当所设置被超过产生SIGLRM信号，默认动作时终止进程

getitimer和setitimer：获取和设置间隔定时器的函数

pause：使进程挂起，直到捕捉到一个信号

格式：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
int raise(int sig);
//raise等价于kill(getpid(),sig)
//
#include <unist.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//
#include <sys/time.h>
int getitimer(int which, struct itimerval *value);
intsetitimer(int which, const struct itimerval *value,struct itimerval *ovalue);
//
#include <unistd.h>
int pause(void);

【信号屏蔽字】：

每个进程都有一个屏蔽字，它规定了当前要阻塞递送到该进程的信号集。

1.设置

函数：sigpromask、sigpending

sigpromask：检测或更改进程的信号屏蔽字

sigpending：返回对于调用进程被阻塞不能递送和当前未决定的信号集

格式：

#include <signal.h>
int sigpromask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
int sigpending(sigset_t *set);

2.实现
函数：sigaction
sigaction:检查或修改与指定信号相关联的处理动作。
格式：

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);
//结构体原型如下
struct sigaction
{
    void (*sa_handler)();//addr of signal handler, or SIG_IGN, or SIG_DFL
    sigset_t sa_mask;//additional to block
    int sa_flag;//signal options
};

【相关操作】：

函数：sigsetjmp和siglongjmp、sigsuspend、abort、system、sleep

sigsetjmp和siglongjmp：非局部转移信号处理

sigsuspend：在一个原子操作中实现恢复信号屏蔽字，然后使进程睡眠。

abort：使程序异常终止

system：执行系统命令

sleep：挂起调用中的进程，直到过了预定时间或收到一个信号并从信号处理程序返回。可以由alarm函数实现。

格式：

#include <setjmp.h>
int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savemask);
void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val);
//
#include <signal.h>
int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);
//
#include <stdlib.h>
void abort(void);
int system(const char *string);
//
#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int second);

五、信号处理步骤

(1)当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为DEFaulta然后，它会在用户模式下返回，以执行埔捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。因此,该进程会先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。
(2）重置用户安装的信号捕捉函数:用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为DEFault。这意昧着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同 Unix版本中会有所不同。例如，在 BSD Unix中，信号处理函数不会被重置，但是该信号在执行信号捕捉函数时会被阻塞。感兴趣的读者可参考关于Linux信号和 sigaction函数的手册页，以了解更多详细信息。
(3）信号和唤醒:在Unix/Lintux内核中有两种SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP状态，到达的信号(必须来自硬件中断或其他进程)不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优先级休眠，这种休眠是可中断的,SIGINT这类信号即可唤醒它。"

六、实践内容与截图

sigaction函数的功能是检查或修改与指定信号相关联的处理动作（可同时两种操作）
执行该程序时，ctrl+c，第一次不会导致程序的结束。而是继续执行，当用户再次执行ctrl+c的时候，程序采用结束。

#include <stdio.h>  
#include <signal.h>  
  
  
void WrkProcess(int nsig)  
{  
        printf("WrkProcess .I get signal.%d threadid:%d/n",nsig,pthread_self());  
  
  
        int i=0;  
        while(i<5){  
                printf("%d/n",i);  
                sleep(1);  
                i++;  
        }  
}  
  
int main()  
{  
        struct sigaction act,oldact;  
        act.sa_handler  = WrkProcess;  
        act.sa_flags = SA_NODEFER | SA_RESETHAND;     
  
        sigaction(SIGINT,&act,&oldact);  
  
        printf("main threadid:%d/n",pthread_self());  
  
        while(1)sleep(5);  
  
        return 0;  
}  

sig 是需要捕获的 signal number, 后一个是捕获到信号后的处理函数指针，接收到quit信号时，结束进程

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

static void
handler(int sig)
{
        printf("Recieved signal: %d
", sig);
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
        signal(SIGINT, handler);

        printf("Caught SIGINT, input 'quit' to exit...
");
        // wait signal caught
        char buf[1024] = {0};
        while (1) {
                printf("Please input: ");
                scanf("%s", buf);
                if (strcmp(buf, "quit") == 0) {
                        break;
                }
        }
        printf("Exit...
");
        return 0;
}

七、问题与解决

问题1：如果在调用alarm之前，进程已经设置了alarm函数，那么本次alarm怎样在不覆盖前次alarm的基础上继续工作呢？
解决：alarm函数的返回值是上次alarm的剩余值，如果该值小于本次设置的值，则应等到上次设置的闹钟超时；如果大于本次设置的值，则应保存该值，在函数处理结束前回复该值。
问题2：之前的signal（SIGALARM，function）函数设置的处理函数和本次不一样，那么本次signal函数怎样在不覆盖前次信号处理函数的基础上继续工作呢？
解决：signal的返回值，要么是SIG_ERR，要么是前次信号处理的函数指针，同样在注册函数时，保存上次函数，在函数处理结束前回复原来的值。SIGALARM的默认动作是终止进程。设置SIGALARM信号是为了给调用者一个闹钟，应用的场所一般是在低速设备阻塞时，例如read/write，设置alarm函数可以防止系统长期阻塞，但这里有一个问题就是，在alarm（nsec）和read（）之间有一个竞争关系，如果在read（）之前调用了alarm（）函数，那么read（）还是会长期阻塞。解决这个问题可以通过setjmp和longjmp函数来解决，因为setjmp设置的时候返回0，longjmp可以设置不同的返回值，可以将read函数包裹在setjmp = 0里面，这样如果处理函数里面的longjmp跳转了也不会出现上面的问题了。