Perl信号处理

Perl信号处理
本文关于Perl信号处理的内容主体来自于《Pro Perl》的第21章。

信号处理

操作系统可以通过信号(signal)处理机制来实现一些功能：程序注册好待监视的信号处理机制，在程序运行过程中如果产生了对应的信号，则会按照注册好的处理方式进行处理。

signal基础

每个进程都记录了一个信号(signal)索引表，并注册了各种信号的处理方式，每当收到信号的时候，会立即停止执行操作并处理对应的信号。

绝大多数信号都有默认处理机制，但Perl支持用户自己重新定义接收到信号时的处理方式。在Perl中，信号处理的方式注册在一个hash变量%SIG中，key为信号的名称，value有几种可能的值：
- DEFAULT或undef：表示采取所接收信号的默认处理方式
- IGNORE：表示忽略接收到的该信号
- 子程序引用：如&subref或匿名子程序sub { codeblock }，表示接收到该信号时，执行该子程序
- 子程序：强烈建议不使用该类值
要想查看支持的信号，可以遍历一下%SIG，或者直接在Linux下使用kill -l命令：
```
$ perl -le 'print join qq/ /, sort keys %SIG'
```
要查看信号对应的数值，可以去Config的sig_name里查找：
```
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;

use Config;
my @signals = split ' ', $Config{sig_name};
for (0..$#signals){
    print "$_ $signals 
" unless $signals[$_] =~ /^NUM/;
}
```
记住几个常见的即可(数值|KEY|NAME)：
- 0 | ZERO | SIGZERO：检查进程是否存在
- 1 | HUP | SIGHUP：发送HUP信号给终端来终止终端上的所有进程(终端的子进程)，对daemon类程序还常重新定义该信号用来重新加载配置文件并reload服务
- 2 | INT | SIGINT：中断进程，可被捕捉和忽略，几乎等同于sigterm，所以也会尽可能的释放执行clean-up，释放资源，保存状态等(CTRL+C)
- 3 | QUIT | SIGQUIT：从键盘发出杀死(终止)进程的信号，优先级较高，可能还会发出core dump行为
- 9 | KILL | SIGKILL：强制终止进程，该信号不可被捕捉。该信号是人为强制终止，而不是让操作系统内核去终止进程，所以进程收到该信号后不会执行任何clean-up行为，所以资源不会释放，状态不会保存
- 10 | USR1 | SIGUSR1：用户自定义信号1
- 12 | USR2 | SIGUSR2：用户自定义信号2
- 13 | PIPE | SIGPIPE：已关闭的管道。当正在读的、或正在写入的管道已被对方关闭时，将触发该信号
- 14 | ALRM | SIGALRM：alarm信号，当当前进程的alarm计时器(alarm定时器即一个定时器)到期了，将触发该信号。在Microsoft系统上未实现该信号
- 15 | TERM | SIGTERM：杀死(终止)进程，可被捕捉和忽略，几乎等同于sigint信号，会尽可能的释放执行clean-up，释放资源，保存状态等，优先级高于INT，但低于QUIT和KILL
- 17 | CHLD | SIGCHLD：当子进程中断或退出时，发送该信号告知父进程自己已完成，父进程收到信号将告知内核清理进程列表。所以该信号可以解除僵尸进程，也可以让非正常退出的进程工作得以正常的clean-up，释放资源，保存状态等
- 18 | CONT | SIGCONT：发送此信号使得stopped进程进入running，该信号主要用于jobs，例如bg & fg 都会发送该信号。可以直接发送此信号给stopped进程使其运行起来
- 19 | STOP | SIGSTOP：该信号是不可被捕捉和忽略的进程停止信息，收到信号后会进入stopped状态，直到接收到CONT信号后才继续运行
- 20 | TSTP | SIGTSTP：该信号是可被忽略的进程停止信号(CTRL+Z)
- 28 | WINCH | SIGWINCH：进程所在的控制终端或控制窗口大小发生了改变(例如拉大拉小图形界面程序的框框)会发送该信号。对于后台进程，由于没有窗口的概念，常常重新定义该信号用来实现graceful stop
- 29 | IO | SIGIO：异步IO事件。如果文件句柄设置为异步IO(即O_ASYNC)，当该文件句柄中产生了任何事件(例如可写事件)时都会发送该信号
安全的信号

需要注意的是，对于具有安全信号处理机制的语言(不止是Perl)，需要保证在运行一条语句(严格地说是opcode)的时候不会被操作系统的信号处理机制中断，只有在当前正在处理的语句结束后，才会中断。

例如，在Perl进行IO的时候，信号不会终止正在进行的IO操作，而是在这次IO完成后再终止。再例如，正在执行排序操作的时候，不会在排序的过程中终止，而是当前排序过程完成后再终止。

安全的信号机制优点很明显，它可以让程序更加健壮。但是缺点也很明显，因为有些操作可能会花费比较长的时间，然后才终止进程。当然，大多数时候这个缺点并不是什么大问题，但是有些情况下对时间长短的控制要求非常精确(比如反导弹系统，必须在一个很短的时间内计算出一些数据，这种程序很可能会直接定制操作系统实现特殊的功能)，这样的情况就不适合使用这种安全的信号处理机制。

从Perl 5.8开始，Perl就默认使用safe模式的信号处理机制。如果想要在Perl上使用非安全的信号处理机制，需要设置环境变量PERL_SIGNALS=unsafe。

信号处理

前面说过，要想定制信号处理方式，只需在%SIG中注册对应的value即可。其中value有几种可能的值：
- DEFAULT或undef：表示采取所接收信号的默认处理方式
- IGNORE：表示忽略接收到的该信号
- 子程序引用：如&subref或匿名子程序sub { codeblock }，表示接收到该信号时，执行该子程序
- 子程序：强烈建议不使用该类值
注意，自定义信号处理方式，对于无法捕获的信号无影响，如SIGKILL信号是不可被捕捉的信号。

例如，忽略INT信号，使得CTRL+C无效：
```
$SIG{INT}='IGNORE';
```
以下是一个完整的perl示例：
```
#!/usr/bin/env perl
use strict;
use warnings;

$SIG{INT} = 'IGNORE';

for (1..3){
        print "hello $_
";
        sleep 2;
}
```
执行这个perl程序的时候，按下ctrl + c将无法终止程序，而是正常运行完。

再例如，设置alarm信号为默认值'DEFAULT'，alarm信号的默认处理机制是终止调用alarm的进程。
```
$SIG{ALRM} = 'DEFAULT';
```
设置信号的处理方式为一个自定义的子程序：
```
$SIG{USR1} = &usr1handler;
```
注意使用的是子程序引用，不要直接使用子程序。实际上，如果%SIG的value部分，如果不是子程序引用，也不是'DEFAULT'或IGNORE，其它字符串都表示以main包(不是当前包)的该子程序作为信号处理方式。例如：
```
$SIG{USR1} = 'DEFLT';
```
等价于：
```
$SIG{USR1} = &main::DEFLT;
```
而很多时候，这个子程序是不存在的。所以，请注意value部分的拼写。

还可以直接定义一个匿名子程序作为信号处理的值。例如，收到INT信号时，清理一些临时文件(如pid文件)：
```
$SIG{INT} = sub {
    warn "received SIGINT, removing PID file and exiting.
";
    unlink "/var/run/perlapp.pid";
    exit 0;
};
```
正常的%SIG写法注册信号时，一次只能注册一个信号：
```
$SIG{INT} = &handler;
```
但可以通过下面的方式一次性注册多个信号处理方式：
```
%SIG = (%SIG, INT => IGNORE, PIPE => &handler, HUP => &handler);
```
之所以能这么展开，是因为Perl在列表上下文会将列表、数组、hash（它们本质上都是列表）压扁展开，所以括号中的%SIG会展开成一个列表，然后重新定义了INT、PIPE、HUP信号的值，由于hash类型的key必须是唯一的，所以重新定义的key的值会覆盖已有的值。

die和warn的信号处理

Perl除了支持信号处理机制，还支持错误处理，特别是die和warn这两个行为(以及Carp模块中对应的crap和croak)。
```
$SIG{__WARN__} = &yoursub;
$SIG{__DIE__} = &yoursub;
```
这些并不是真的信号，而是伪信号，Perl提供伪信号处理机制让我们定制一些事件的处理方式。在%SIG中并没有为这些伪信号设置默认值，所以如果需要设置伪信号的事件处理，需要手动设置，正如上面设置的方式。

上面的前缀和后缀双下划线是可选的，只是为了让伪信号和真信号进行区分。当然，Perl并不允许我们在%SIG中随意创建信号名。

写一个信号处理子程序

如果某个信号的所注册的是一个子程序引用，那么在接收到这个信号的时候，会调用这个子程序，并传递信号的名称作为参数给子程序。

例如：
```
#!/usr/bin/perl 
use strict;
use warnings;

sub handler {
    my $sig = shift;
    print "Caught SIGNAL: $sig
";
}

$SIG{INT} = &handler;

for (1..3){
    sleep 2;
}
```
有些操作系统(特别是BSD系统)会在调用一次子程序后注销信号处理子程序，所以要想继续注册该信号的处理方式，可以在子程序中的开头（在开头加是为了避免信号触发后子程序调用过程中有新的信号进来）加上重新安装子程序的语句：
```
sub handler{
    $sig = shift;
    # reinstall handler
    $SIG{$sig} = &handler;
    ...
    ...其它代码...
    ...
}
```
很多时候，并不希望正在处理某个信号的时候再次接收该信号(因为这个时候接收同样的信号是多余的行为)，这时可以在子程序的开头将信号处理设置为"IGNORE"来忽略可能的新信号，再在子程序的结尾设置回原来的信号处理方式。

下面的代码展示了这种处理逻辑：
```
sub handler {
    $SIG{$_[0]} = 'IGNORE';
    ... do something ...
    $SIG{$_[0]} = &handler;
}
```
或者，更简便的方式是使用local关键字来修饰%SIG中对应的信号：
```
sub handler {
    local $SIG{$_[0]} = 'IGNORE';
    ... do something ...
}
```
local关键字是在局部范围内操作全局变量，在退出范围时恢复全局变量。所以，上面的代码中，只有在handler函数内部临时设置了信号处理方式为"IGNORE"，退出子程序后又恢复原来的信号处理方式。

糟糕的信号处理子程序

其实信号处理机制中隐含了一个关键点：强烈建议不要在信号处理程序中分配新内存。例如，新建一个变量保存某个值。

例如，下面的示例中，就在每次信号处理的过程中，新建一个元素空间保存每个被触发的信号计数器的值：
```
my %sigcount;
sub allocatinghandler {
    $sigcount{$_[0]}++;
}
```
上面是不太好的编程方式，而下面修改后的代码则更好，因为在第一次调用子程序的时候，就分配好了一些空间（每个信号默认值都为0），在每次自增计数器计数的时候不会再新分配内存：
```
%sigcount = map { $_ => 0 } keys %SIG;

sub nonallocatinghandler {
    $sigcount{$_[0]}++;
}
```
发送信号(解释HUP信号和0信号)

在Unix系统中，使用kill命令发送信号。在Perl中，也可以使用kill函数来发送信号。

Perl kill函数至少两个参数，第一个参数是要发送的信号名，第二个或者后面的参数是待发送信号的PID。Perl kill的返回值为成功交付信号的进程数量(因为有些信号忽略的进程没必要计算是否接收了信号，所以忽略的信号不计数)：
```
# 发送INT信号给多个进程
kill 'INT', @mychildren;

# 更易读的方式
kill INT => @mychildren, $grandpatoo;

# 进程自杀
kill KILL => $$;
kill (9, $$);     # 使用数值格式的信号
kill 9, $$;

# 发送信号给父进程
kill USR1 => getppid;
```
其中getppid函数用来获取父进程的PID。

向一个负数的PID发送信号，表示将信号发送给该PID所在进程组(包括子进程、兄弟进程，甚至可能会包括父进程)。例如，下面的语句表示发送HUP信号给当前进程自身所在的进程组：
```
kill HUP => -$$;
```
HUP信号经常会发送给父进程，然后父进程会发送给其所有子进程来终止它们，并重新初始化它们。例如apache httpd可以发送一个HUP信号给main进程，来重新fork子进程。当然，在这过程中，父进程自身可能并不希望被HUP终止，所以这时常为父进程设置信号忽略。如下：
```
sub huphandler{
    local $SIG{HUP} = 'IGNORE';
    kill HUP => -$$;
}
```
信号0是特殊的信号，它不会有任何操作，仅仅用来检查进程是否存在。因为kill返回值是正确接收信号的进程数量，如果进程存在，0信号就会被接收但却不会做任何处理，但kill的返回值却为1。例如，检查某个子进程是否存在：
```
kill (0 => $child) or warn "Child $child is dead!";
```
SIGALRM信号：ALARM

alarm常用来做一个计时器，计时到了就发送ALRM信号来终止计时器所在进程。

可以通过alarm函数设置一个计时器，它的参数是0或正数，正数表示计时多少秒，0表示取消当前已有的计时器。每个进程只能有一个alarm计时器。
```
# 30秒的计时器
alarm 30;
```
计时器计时到了，就会立即发送ALRM信号，该信号默认行为是终止当前进程，除非设置了ALRM信号的处理方式。例如，下面定义了一个2秒的计时器，后面还睡眠5秒：
```
$ perl -le 'alarm 2;sleep 5;'
```
在睡眠5秒的过程中，大概在第二秒后就直接终止进程了，而不是等到5秒都睡眠完。

需要注意的是，前面说过安全的信号处理机制会等待当前正在执行的opcode执行完再处理信号，所以alarm定义的计时器可能并不那么精确，出现一点点的误差是经常性的。

重新设置计时器会覆盖之前已有的计时器。例如：
```
alarm 30;   # 30秒的计时器
... do something ...
alarm 5;    # 覆盖前面的定时器，重新定义一个5秒的计时器
```
alarm函数的参数设置为0表示取消已有的alarm计时器，但注意取消计时器不会发送SIGALRM信号。
```
alarm 0;
```
计时器有时候非常好用，它是非阻塞模式的sleep，可以让我们回到交互模式下并计时。例如，下面的示例中要求在5秒内输入一个字符，如果没输入就一直提示"Hurry UP:"，并继续设置5秒的计时器等待输入，由于ReadKey是阻塞的，只要一输入就不再阻塞，于是进入后续语句并很快到达程序的尾部并正常结束。
```
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
use Term::ReadKey;

# Make read blocking until a key is pressed, and turn on autoflushing (no
# buffered IO)
ReadMode 'cbreak';
$| = 1;

sub alarmhandler {
    print "
Hurry up!: ";
    alarm 5;
}

$SIG{ALRM} = &alarmhandler;

alarm 5;
print "Hit a key: ";
my $key = ReadKey 0;
print "
 You typed '$key' 
";

# cancel alarm
alarm 0;

# reset readmode
ReadMode 'restore';
```
上面的alarm 0其实是多余的，因为只要输入了字符后，基本上立即就到达了程序的结尾而正常结束，所以不需要alarm 0来取消计时器。但在稍微大一点的程序中，取消计时器是很有必要的，因为我们不知道什么时候程序结束。
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