Linux C/C++编程之（十八）信号产生和处理

文章目录

• 一、概述
• 二、信号详解
• 1. 信号的概念
• 2. 信号的机制
• 3. 与信号相关的事件和状态
• 4. 信号的处理方式
• 5. 信号的编号
• 6. 信号4要素
• 7. Linux常规信号一览表
• 8. 信号的产生
• 9. 信号集操作函数

一、概述

二、信号详解

1. 信号的概念

信号在我们的生活中随处可见， 如：古代战争中摔杯为号；现代战争中的信号弹；体育比赛中使用的信号枪…他们都有共性：

1） 简单
2）不能携带大量信息
3）满足某个特设条件才发送。

信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式， 现下依然是主要的通信手段。Unix早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T都对信号模型做了更改，增加了可靠信号机制，但彼此不兼容。POSIX.1对可靠信号例程进行了标准化。

2. 信号的机制

A 给 B 发送信号，B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断，早期常被称为 软中断。

信号的特质：由于信号是通过软件方法实现，其实现手段导致信号有很强的延时性。但对于用户来说，这个延迟时间非常短，不易察觉。

每个进程收到的所有信号，都是由 内核 负责发送的，内核 处理。

3. 与信号相关的事件和状态

（1）产生信号

1）按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+
2）系统调用产生，如：kill、raise、abort
3）软件条件产生，如：定时器alarm
4）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)
5）命令产生，如：kill命令

• 递达：递送并且到达进程。
• 未决：产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。

如下图所示，当 ctl+c 2号信号到达，如果设置为阻塞，且阻塞信号集和未决信号集中状态都为 1，只有当解阻塞该信号时，该信号才会被处理，同时设置未决信号集该信号状态为0。

4. 信号的处理方式

1）执行默认动作
2）忽略(丢弃)
3）捕捉(调用户处理函数)

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

• 阻塞信号集(信号屏蔽字)：

将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽x信号后，再收到该信号，该信号的处理将推后(解除屏蔽后)。

• 未决信号集：

1）信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1，表示信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻转回为0（这一时刻往往非常短暂）。
2）信号产生后，由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态。

5. 信号的编号

可以使用kill –l命令查看当前系统可使用的信号有哪些。
不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为 常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为 实时信号，驱动编程与硬件相关。名字上区别不大，而前32个名字各不相同。

6. 信号4要素

与变量三要素类似的，每个信号也有其必备4要素，分别是：

1）编号
2）名称
3）事件
4）默认处理动作

可通过man 7 signal查看帮助文档获取：
在标准信号中，有一些信号是有三个“Value”，第一个值通常对alpha和sparc架构有效，中间值针对x86、arm和其他架构，最后一个应用于mips架构，一个‘-’表示在对应架构上尚未定义该信号。

不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在Unix系统内，也出现在Linux中，而有的信号出现在FreeBSD或Mac OS中却没有出现在Linux下。这里我们只研究Linux系统中的信号。重点关注中间的！

默认动作：

• 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

注意从man 7 signal帮助文档中可看到 : The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored。特别强调了 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。

另外需清楚，只有每个信号所对应的事件发生了，该信号才会被递送(但不一定递达)，不应乱发信号!!

7. Linux常规信号一览表

1. SIGHUP: 当用户退出shell时，由该shell启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程

2. SIGINT：当用户按下了<Ctrl+C>组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。

3. SIGQUIT：当用户按下<ctrl+>组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信号。默认动作为终止进程。

4. SIGILL：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件

5. SIGTRAP：该信号由断点指令或其他 trap指令产生。默认动作为终止里程 并产生core文件。

6. SIGABRT: 调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。

7. SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生core文件。

8. SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。

9. SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了可以杀死任何进程的方法。

10. SIGUSE1：用户定义 的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。

11. SIGSEGV：指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生core文件。

12. SIGUSR2：另外一个用户自定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。

13. SIGPIPE：Broken pipe向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。

14. SIGALRM: 定时器超时，超时的时间 由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。

15. SIGTERM：程序结束信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。执行shell命令Kill时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。

16. SIGSTKFLT：Linux早期版本出现的信号，现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。

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17. SIGCHLD：子进程结束时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。

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18. SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。

19. SIGSTOP：停止进程的执行。信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为暂停进程。

20. SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。按下<ctrl+z>组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。

21. SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。

22. SIGTTOU: 该信号类似于SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。

23. SIGURG：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出些信号，报告有紧急数据到达。如网络带外数据到达，默认动作为忽略该信号。

24. SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间 ，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。

25. SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。

26. SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。

27. SGIPROF：类似于SIGVTALRM，它不公包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。

28. SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。

29. SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。

30. SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。

31. SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。

32. SIGRTMIN ～ (64) SIGRTMAX：LINUX的实时信号，它们没有固定的含义（可以由用户自定义）。所有的实时信号的默认动作都为终止进程。

8. 信号的产生

（1）终端按键产生信号

Ctrl + c  → 2) SIGINT（终止/中断）  "INT" ----Interrupt
Ctrl + z  → 20) SIGTSTP（暂停/停止）  "T" ----Terminal 终端。
Ctrl +   → 3) SIGQUIT（退出）

（2）硬件异常产生信号

除0操作   		  → 8) SIGFPE (浮点数例外) "F" -----float 浮点数
非法访问内存  → 11) SIGSEGV (段错误)
总线错误  		  → 7) SIGBUS

（3）kill命令产生信号

kill命令产生信号：

kill -SIGKILL pid

kill函数：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

int kill(pid_t pid, int sig);  
成功：0；失败：-1 (ID非法，信号非法，普通用户杀init进程等权级问题)，设置errno

• sig：不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
• pid
  • pid > 0: 发送信号给指定的进程。
  • pid = 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。
  • pid < 0: 取|pid|发给对应进程组。
  • pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。

进程组：每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程集合，他们相互关联，共同完成一个实体任务，每个进程组都有一个进程组长，默认进程组ID与进程组长ID相同。

权限保护：super用户(root)可以发送信号给任意用户，普通用户是不能向系统用户发送信号的。 kill -9 (root用户的pid) 是不可以的。同样，普通用户也不能向其他普通用户发送信号，终止其进程。 只能向自己创建的进程发送信号。普通用户基本规则是：发送者实际或有效用户ID == 接收者实际或有效用户ID。

练习：循环创建5个子进程，任一子进程用kill函数终止其父进程。

练习：循环创建5个子进程，父进程用kill函数终止第3个子进程。


（4）raise 和 abort 函数

raise 函数：给当前进程发送指定信号(自己给自己发)

int raise(int sig); 成功：0，失败非0值

abort 函数：给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT 信号，终止并产生core文件

void abort(void); 该函数无返回

raise 和 abort示例

（5）软件条件产生信号

• alarm函数

设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。

每个进程都有且只有唯一个定时器。

unsigned int alarm(unsigned int seconds); 返回0或剩余的秒数，无失败。

常用：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。

例：alarm(5) → 3sec → alarm(4) → 5sec → alarm(5) → alarm(0)

定时，与进程状态无关(自然定时法)！就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸…无论进程处于何种状态，alarm都计时。

练习：编写程序，测试你使用的计算机1秒钟能数多少个数。


alarm示例

使用time命令查看程序执行的时间。 程序运行的瓶颈在于IO，优化程序，首选优化IO。

实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间

• setitimer函数

设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us，可以实现周期定时。

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, 
					struct itimerval *old_value); 
成功：0；失败：-1，设置errno

参数：which：指定定时方式

• 自然定时：ITIMER_REAL → 14）SIGLARM 计算自然时间
• 虚拟空间计时(用户空间)：ITIMER_VIRTUAL → 26）SIGVTALRM 只计算进程占用cpu的时间
• 运行时计时(用户+内核)：ITIMER_PROF → 27）SIGPROF 计算占用cpu及执行系统调用的时间
  • 两个参数都设置为0，即清0操作。
    • it_interval：用来设定两次定时任务之间间隔的时间。
    • it_value：定时的时长

setitimer示例1


setitimer示例2

9. 信号集操作函数

内核通过读取未决信号集来判断信号是否应被处理。信号屏蔽字mask可以影响未决信号集。而我们可以在应用程序中自定义set来改变mask。已达到屏蔽指定信号的目的。

（1）信号集的设定

sigset_t类型的本质是位图，但不应该直接使用位操作，而应该使用上述函数，保证跨系统操作有效。

对比认知select 函数。

sigset_t  set; // typedef unsigned long sigset_t;

int sigemptyset(sigset_t *set); 
将某个信号集清0   成功：0；失败：-1

int sigfillset(sigset_t *set); 
将某个信号集置1    成功：0；失败：-1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum); 
将某个信号加入信号集  成功：0；失败：-1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum); 
将某个信号清出信号集   成功：0；失败：-1

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
判断某个信号是否在信号集中 返回值：在集合：1；不在：0；出错：-1  

（2）sigprocmask函数

用来 屏蔽信号、解除屏蔽 也使用该函数。其本质，读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB中)

严格注意，屏蔽信号：只是将信号处理延后执行(延至解除屏蔽)；而忽略表示将信号丢处理。

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset); 
成功：0；失败：-1，设置errno

参数：

• set：传入参数，是一个位图，set中哪位置1，就表示当前进程屏蔽哪个信号。
• oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽集。
• how参数取值： 假设当前的信号屏蔽字为mask
  • SIG_BLOCK: 当how设置为此值，set表示需要屏蔽的信号。相当于 mask = mask|set
  • SIG_UNBLOCK: 当how设置为此，set表示需要解除屏蔽的信号。相当于 mask = mask & ~set
  • IG_SETMASK: 当how设置为此，set表示用于替代原始屏蔽及的新屏蔽集。相当于 mask = set，若调用sigprocmask解除了对当前若干个信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。

（3）sigpending函数

读取当前进程的未决信号集

int sigpending(sigset_t *set); 
set传出参数。   返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

（4）信号捕捉

1）signal函数

注册一个信号捕捉函数：

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

该函数由ANSI定义，由于历史原因在不同版本的Unix和不同版本的Linux中可能有不同的行为。因此应该尽量避免使用它，取而代之使用sigaction函数。

2）sigaction函数

修改信号处理动作（通常在Linux用其来注册一个信号的捕捉函数）

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, 
					struct sigaction *oldact);
成功：0；失败：-1，设置errno

参数：

• act：传入参数，新的处理方式。
• oldact：传出参数，旧的处理方式。
• struct sigaction：结构体

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

• sa_restorer：该元素是过时的，不应该使用，POSIX.1标准将不指定该元素。(弃用)
• sa_sigaction：当sa_flags被指定为SA_SIGINFO标志时，使用该信号处理程序。(很少使用)

重点：

• sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为SIG_IGN表忽略 或 SIG_DFL表执行默认动作
• sa_mask: 调用信号处理函数时，所要屏蔽的信号集合(信号屏蔽字)。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽生效，是临时性设置。
• sa_flags：通常设置为0，表使用默认属性。

3）信号捕捉特性

• 进程正常运行时，默认PCB中有一个信号屏蔽字，假定为☆，它决定了进程自动屏蔽哪些信号。当注册了某个信号捕捉函数，捕捉到该信号以后，要调用该函数。而该函数有可能执行很长时间，在这期间所屏蔽的信号不由☆来指定。而是用sa_mask来指定。调用完信号处理函数，再恢复为☆。
• XXX信号捕捉函数执行期间，XXX信号自动被屏蔽。
• 阻塞的常规信号不支持排队，产生多次只记录一次。（后32个实时信号支持排队）

练习1：为某个信号设置捕捉函数。


练习2： 验证在信号处理函数执行期间，该信号多次递送，那么只在处理函数之行结束后，处理一次。


4）内核实现信号捕捉过程

（5）SIGCHLD函数

1）SIGCHLD产生的条件

• 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，接受到SIGCONT后唤醒时

2）借助SIGCHLD函数回收子进程

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。

SIGCHLD回收子进程示例


分析该例子。结合 17)SIGCHLD 信号默认动作，掌握父使用捕捉函数回收子进程的方式。

如果每创建一个子进程后不使用sleep可以吗？可不可以将程序中，捕捉函数内部的while替换为if？为什么？

if ((pid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) { ... }

思考：信号不支持排队，当正在执行SIGCHLD捕捉函数时，再过来一个或多个SIGCHLD信号怎么办？

3）子进程结束status处理方式

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)

options

• WNOHANG 没有子进程结束，立即返回
• WUNTRACED 如果子进程由于被停止产生的SIGCHLD，waitpid则立即返回
• WCONTINUED 如果子进程由于被SIGCONT唤醒而产生的SIGCHLD，waitpid则立即返回

获取status

• WIFEXITED(status) 子进程正常exit终止，返回真
• WEXITSTATUS(status) 返回子进程正常退出值
• WIFSIGNALED(status) 子进程被信号终止，返回真
• WTERMSIG(status) 返回终止子进程的信号值
• WIFSTOPPED(status) 子进程被停止，返回真
• WSTOPSIG(status)返回停止子进程的信号值
• WIFCONTINUED(status)

SIGCHLD信号注意问题：

• 子进程继承了父进程的信号屏蔽字和信号处理动作，但子进程没有继承未决信号集spending。
• 注意注册信号捕捉函数的位置。
• 应该在fork之前，阻塞SIGCHLD信号。注册完捕捉函数后解除阻塞。