第20章 信号：基本概念

概念和概述

信号是事件发生时对进程的通知机制，也称为软件中断，进程可以向自己或其他进程发送信号，引发内核为进程产生信号的事件如下：

  • 硬件发生异常：如被0除或引用了无法访问的内存区域
  • 用户键入了能产生信号的特殊字符：中断字符（Control+C）、暂停字符（Control+Z）
  • 软件事件：定时器到，某个子进程退出等

信号分为两类：内核向进程通知事件，构成所谓的传统或者标准信号、实时信号，在信号产生和到达期间，处于等待（pending）状态，有时需要确保一段代码不被信号打断，可以将信号添加到进程的信号掩码中以阻塞信号，稍后可解除，信号到达后，进程视具体信号执行如下默认动作之一：

  1. 忽略信号：内核将其丢弃，进程不知道曾经出现过此信号
  2. 终止进程：异常终止，而非调用exit的正常终止
  3. 产生核心转储文件并终止进程
  4. 停止进程：暂停进程的执行
  5. 于之前暂停后再恢复进程的执行
    信号类型和默认行为
    Linux标准信号编号是1-31，实际却超出，为了与其他UNIX实现兼容，其他则并未使用
  • SIGALRM：alarm或settimer设置的定时器到期
  • SIGBUS：总线错误表示发生了某种内存访问错误
  • SIGCHILD：某一子进程终止，内核向父进程发生此信号，子进程因收到信号而停止或恢复时，也可能向父进程发生此信号
  • SIGCLD：同上
  • SIGCONT：将该信号发送给已经停止的进程，进程将恢复运行，当接收信号的进程当前不是停止状态，more忽略此信号
  • SIGEMT：标识一个依赖于实现的硬件错误
  • SIGFPE：特定类型的算术错误产生，如除0
  • SIGHUP：终端断开（挂机）时，发送此信号给终端控制进程
  • SIGILL：试图执行非法的机器语言指令
  • SIGINFO：Linux中，同SIGPWR
  • SIGINT：终端键入中断字符（Control+C），终端驱动程序发送此信号给前台进程组
  • SIGIO：Linux中，同SIGABRT
  • SIGKILL：处理器程序无法将其阻塞、忽略或捕获，总能终止进程
  • SIGLOST：Linux中，未使用
  • SIGPIPE：试图向管道、FIFO、套接字写入信息时，如果设备并没有相应的读进程，系统将产生此信号
  • SIGPOLL：Linux中，同SIGIO
  • SIGPROF：setitimer调用所设置的性能分析器（记录进程使用的CPU时间）一过期，内核就产生此信号
  • SIGPWR：电源故障
  • SIGQUIT：终端键入退出字符（Control+\），信号发给前台进程组，默认终止进程并产生核心转储文件
  • SIGSEGV：引用无效内存
  • SIGSTKFLT：Linux中，未使用
  • SIGSTOP：处理器程序无法将其阻塞、忽略或捕获，总能停止进程
  • SIGSYS：如果进程发起的系统调用有误就产生此信号
  • SIGTERM：用来终止进程的标准信号，也是kill和killall命令发送的默认信号，用户有时候会用kill -KILL或kill -9显式的发送SIGKILL信号，通常是错误的，精心设计的程序应当为SIGTERM信号设置处理器程序，以便于预先清除临时文件和释放资源，发送SIGKILL信号可以杀掉进程，但是绕开了SIGTERM的信号处理程序，总是应该首先尝试SIGERM终止进程，SIGKILL是最后手段，去对付那些不响应SIGTERM信号的失控进程
  • SIGTRAP：断点调试功能和strace命令
  • SIGSTP：作业控制的停止信号，键盘输入挂起字符（Control+Z），发送此信号给前台进程组
  • SIGTTIN：作业控制shell下后台进程组试图对终端进行read时
  • SIGTTOU：类似SIGTTIN，针对的是后台作业的终端输出
  • SIGUNUSED：顾名思义，未使用
  • SIGURG：套接字上存在带外（紧急）数据
  • SIGUSR1：供程序员使用，内核绝不会产生此信号
  • SIGUSR2：同上
  • SIGVTALRM：setitimer调用所设置的虚拟定时器（记录进程用户态使用的CPU时间）一过期，内核就产生此信号
  • SIGWINCH：窗口环境中，终端窗口尺寸大小改变时
  • SIGXCPU：进程的CPU时间超出对应的资源限制时
  • SIGXFSZ：进程试图增大文件突破对进程文件大小的资源限制时

WechatIMG29.jpeg
WechatIMG30.jpeg
term表示终止进程，core表示产生核心转储文件，ignore表示忽略此信号，stop表示停止进程，cont表示信号恢复了一个已停止的进程

改变信号处置：signal

signal的行为在不同UNIX实现有差别，sigaction应该是建立信号处理函数的首选API，在Linux中，signal是基于sigaction实现的glibc库函数

  1. #include <signal.h>
  2. void (signal(int signo, void (*handler)(int)))(int);
  3. // 若成功，返回以前的信号处理配置，若出错，返回SIG_ERR
  4. // handler可以指定为SIG_DFL(默认值),SIG_IGN(忽略)
  6. typedef void Sigfunc(int);
  7. Sigfunc *signal(int, Sigfunc *);
  1. void (*old_handler)(int);
  2. // switch to new
  3. if (SIG_ERR == (old_handler = signal(SIGINT, new_handler)))
  4.     perror("signal error");
  6. /** do somthing with new_handler */
  8. // retrieve to old
  9. if (SIG_ERR == (signal(SIGINT, old_handler)))
  10.     perror("signal error");

使用signal，无法在不改变信号处置的同时，还能获取当前的信号处置，即调用signal就会改变信号处置，sigaction可以做到这点

信号处理器简介

调用信号处理器程序，可能随时打断主程序流程，内核代表进程调用处理器程序，当处理器返回时，主程序会在处理器打断的位置恢复执行，虽然处理器程序几乎可以为所欲为，但其设计应该力求简单

发送信号：kill

之所以选择kill做术语，因为早期UNIX实现中大多数信号的默认行为是终止进程，kill将信号发送给进程或进程组，raise则允许向自身发送信号

  1. #include <signal.h>
  3. int kill(pid_t pid, int signo);
  4. int raise(int signo);
  5. // 两个函数，若成功，返回0，若出错，返回-1
  7. raise(signo);
  8. 等价于
  9. kill(getpid(), signo);
  • pid>0：将信号发送给进程ID为pid的进程
  • pid==0：将信号发送给与发送进程属于同一进程组的所有进程，且发送进程具有权限向这些进程发送信号
  • pid<-1：将信号发送给进程组ID等于pid绝对值，且发送进程具有权限向这些进程发送信号
  • pid==-1：将信号发送给发送进程具有权限向它们发送信号的所有进程，除去init和调用进程自身

进程要发送信号给另一个进程，需要一定权限，规则如下：

  • 特权进程可以向任何进程发送信号
  • 以root用户和组运行的init进程，仅能接收已经装了处理函数的信号
  • 如果发送者的实际或有效用户ID匹配于接收者的实际用户ID或保存设置用户ID，非特权进程也可以向另一进程发送信号
  • SIGCONT信号而言，无论对用户ID检查如何，非特权进程可以向同一会话中的任何其他进程发送这一信号
    发送信号的其他方式：raise和killpg
    ```

    include

int raise(int signo); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回非0值，唯一可能出错的地方是signo无效而返回EINVAL

单线程中: raise(signo)相当于kill(getpid(), signo); 多线程中： raise(signo)相当于pthread_kill(pthread_self(), signo);

  1. ```
  2. #include <signal.h>
  4. int killgg(pid_t pgrp, int signo);
  5. // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1
  7. killpg(pgrp, signo)相当于kill(-pgrp, signo)
  8. 如果指定pgrp为0，那么会向调用者所属进程组的所有进程发送此信号
检查进程的存在

kill的signo指定为0，可以发送空信号，以此可以检查目标进程是否存在，若空信号发送失败，且errno为ESRCH，表明目标进程不存在，如果调用成功或调用失败且errno为EPERM，表示目标进程存在；但是验证一个特定进程是否存在并不能保证其正在运行，此外，可能存在但却是僵尸（其父进程尚未执行wait来获取其终止状态），可以通过其他途径检查进程是否正在运行：

  • wait系统调用
  • 信号量和排它锁：如果进程持续持有某个信号量或排它锁，且一直处于被监控的状态，那么如能获取到信号量或锁时，表明该进程已经终止
  • 管道和FIFO：对监控目标进程进行设置，令其在自身生命周期内持有对通道进行写操作的打开文件描述符，而监控进程则持有对通道进行读操作的打开文件描述符，且通道写入端关闭，即可获知监控目标进程已终止
  • /proc/PID接口：如/proc/PID/12345，对其进行stat检查
    显示信号描述
    每个信号与之相关的描述位于数组sys_siglist中，如sys_siglist[SIGPIPE]获取SIGPIPE信号（管道断开）的描述，相对比直接使用数组，更推荐调用strsignal函数： ```

    define _BSD_SOURCE

    include

extern const char *const sys_siglist[];

define _GNU_SOURCE

include

char *strsignal(int signo); // 返回信号对应的描述字符串，如果signo无效，返回错误字符串 // 相较于sys_siglist，strsignal会进行边界检查，而且对本地（local）设置敏感

void psignal(int signo, char *msg); // msg后加冒号，再显示信号描述

  1. ##### 信号集
  2. 数据类型是sigset_t

include

int sigemptyset(sigset_t *set); // 将信号集初始化为set指向的信号集，清除所有信号

int sigfillset(sigset_t *set); // 将信号集初始化为set指向的信号集，包含所有信号 // sigfillset或sigemptyset必须只能执行一次

int sigaddset(sigset_t *set, int signo); // 把信号signo添加到信号集set中

int sigdelset(sigset_t *set, int signo); // 把信号signo从信号集set中删除

这四个函数，若成功，返回0，若出错，返回-1

int sigismember(sigset_t *set, int signo); // 如果是返回1，如果不是，返回0，如果给定的信号无效，返回-1；

  1. GNU C实现了3个非标准函数，是对上述信号集标准函数的补充：

define _GNU_SOURCE

include

int sigandset(sigset_t dest, sigset_t left, sigset_t right); // 将left和right的交集置于dest int sigorset(sigset_t dest, sigset_t left, sigset_t right); // 将left和right的并集置于dest int sigisemptyset(const sigset_t *set); // 若set集未包含信号，则返回true

  1. ##### 信号掩码（阻塞信号传递）
  2. 内核会为每个进程维护一个信号掩码，即一组信号，将阻塞其针对该进程的传递，信号掩码属于线程属性，多线程中，每个线程都可以使用pthread_sigmask独立检查和修改其信号掩码；如果将阻塞的信号发送给某进程，那么对该信号的传递将延后，直到从进程掩码中移除该信号，从而解除阻塞为止

include

int sigpromask(int how, const sigset_t restrict set, sigset_t restrict oset); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1

  2. - 
  3. 若oset是非空指针，那么进程的当前信号屏蔽字通过oset返回
  6. - 
  7. 若set是非空指针，那么参数how指示如何修改当前信号屏蔽字

SIG_BLOCK：将set指向的包含了希望阻塞的信号集，与当前信号屏蔽字，相并，或操作 SIG_UNBLOCK：将set指向的包含了希望阻塞的信号集的补集，与当前信号屏蔽字，相交，与操作 SIG_SETMASK：将当前的信号集合设置为set指向的信号集，赋值操作

  3. - 
  4. 如果set是空指针，那么不改变进程的信号屏蔽字，how无意义
  8. 如果解除了对某个信号的锁定，那么会立刻将该信号传递给进程，系统将忽略试图阻塞SIGKILL和SIGSTOP信号的请求，如果试图阻塞，sigprocmask既不会处理，也不会产生错误，这意味着，可以使用如下方式阻塞除了SIGKILL和SIGSTOP之外的所有信号：

// 使用blockset(包含所有信号)初始化信号集 sigfillset(&blockset); // 将所有信号阻塞，但实际无法阻塞SIGKILL和SIGSTOP if (-1 == sigprocmask(SIG_BLOCK, &blockset, NULL)) perror(“sigprocmask error”);

  1. ##### 处于等待状态（pending）的信号
  2. 返回的信号集由参数set返回，对于调用进程而言，其中的各个信号是阻塞不能传递的，因而一定是当前未决的；如果某进程接受了一个该进程正在阻塞的信号，那么会将该信号添加到进程的等待信号集中，当解除了对该信号的锁定时，随之将信号传递给此进程

include

int sigpending(sigset_t *set); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1

  1. ##### 不对信号进行排队处理
  2. 如果同一信号在阻塞状态下产生多次，那么会将该信号记录在等待信号集中，稍后仅传递一次；即使进程没有阻塞信号，其收到的信号可能比发送给它的要少得多，如果信号发送速度如此之快，以至于内核考虑将执行权调度给接收进程前，这些信号已经到达，就会发生这种情况
  3. ##### 改变信号处置：sigaction
  4. sigaction较之于signal，允许在获取信号处置的同时无需将其改变，还可以设置各种属性对调用信号处理程序时的行为控制的更加精确，可移植性也更加：

include

int sigaction(int signo, conststruct sigactionrestrict act, struct sigactionrestrict oact); // 若成功，返回0，若出错，返回-1 // signo是除去SIGKILL和SIGSTOP之外的任何信号

struct sigaction{ void (sa_handler)(int); sigset_t sa_mask; int sa_flag; void (sa_sigaction)(int, siginfo_t, void); }; // sa_handler对应于signal的handler参数，是信号处理函数的地址，或者是常量SIG_IGN、SIG_DFL之一 // 仅当sa_handler是信号处理函数的地址，即SIG_IGN、SIG_DFL之外的取值，才会对sa_mask和sa_flag加以处理 // sa_sigaction和sa_handler，在应用中只能一次使用其中之一

sa_flag的选项： SA_INTERRUPT: 由此信号中断的系统调用不自动重启动 SA_NOCLDSTOP: 若signo是SIGCHLD，当子进程停止，不产生此信号，当子进程终止，仍旧产生此信号，若已设置此标志，当停止的进程继续运行时，不产生SIGCHLD信号 SA_NOCLDWAIT:若signo是SIGCHLD，当调用进程的子进程终止时，不创建僵死进程，当调用进程随后调用wait，则阻塞到它所有子进程都终止 SA_NODEFER: 当捕捉到此信号执行其信号处理函数时，系统不自动阻塞此信号，应用于早期不可靠信号 SA_ONSTACK: XSI SA_RESETHAND: … SA_RESTART: 由此信号中断的系统调用自动重启动 SA_SIGINFO: 对信号处理程序提供了附加信息：一个指向siginfo的指针以及指向上下文的context指针

  2. - signo是要检测或修改的信号编号
  3. - 若act非空，则修改其动作，若oact非空，则系统经由oact返回该信号的上一个动作
  5. 一般信号处理程序调用：

void handler(int signo);

  1. 如果设置sa_flag为SA_SIGINFO，则调用：

void handler(int signo, siginfo_t info, void context)

  1. siginfo包含了信号产生原因有关信息：

typedef struct siginfo { int si_signo; / signal number / int si_errno; / errno association / int si_code; / signal code / pid_t si_pid; / sending process / uid_t si_uid; / sender’s ruid / int si_status; / exit value / void si_addr; / faulting instruction / union sigval si_value; / signal value / long si_band; / band event for SIGPOLL */ unsigned long pad[7]; / Reserved for Future Use / } siginfo_t;

union sigval { / Members as suggested by Annex C of POSIX 1003.1b. / int sival_int; void *sival_ptr; };

  1. 传递信号时，在si_value.sival_int传递一个整型或si_value.sival_ptr传递一个指针，SIGCHLD包含的si_code：

define CLD_EXITED 1 / [XSI] child has exited /

define CLD_KILLED 2 / [XSI] terminated abnormally, no core file /

define CLD_DUMPED 3 / [XSI] terminated abnormally, core file /

define CLD_TRAPPED 4 / [XSI] traced child has trapped /

define CLD_STOPPED 5 / [XSI] child has stopped /

define CLD_CONTINUED 6 / [XSI] stopped child has continued /

  1. 若信号是SIGCHLD，则设置si_pid, si_status和si_uid字段，若信号时SIGBUS、SIGILL、SIGFPE或SIGSEGV，则si_addr包含造成故障的根源地址，该地址可能并不准确<br />context是无类型参数，可被强制转为ucontext_t结构类型，用于标识信号传递时进程上下文
  2. ##### 等待信号：pause
  3. 将暂停进程的执行，直到捕捉一个信号，即信号处理器函数中断该调用为止（或一个未处理信号终止进程为止）

include

int pause(void); // 返回值：-1， errno设置为EINTR

``` 只有执行了一个信号处理函数并从其返回时，pause才返回