第22章 信号：高级特性

核心转储文件

特定信号会引发进程创建一个核心转储文件并终止运行，核心转储文件时内含进程终止时内存映像的文件（core是一种老迈的内存技术），通常是键入退出符（Control + \）而生成SIGQUIT信号，Linux下可以使用gdb连接一个正在运行的进程，使用gcore命令获取其core文件
不产生核心转储文件的情况：

  • 进程对核心转储文件没有写权限（默认是进程当前工作目录）
  • 存在一个同名、可写的普通文件，但指向该文件的（硬）链接数超过一个
  • 将要创建的核心转储文件所在目录不存在
  • 把进程核心转储文件大小的资源限制（RLIMIT_CORE）置为0，shell下可通过ulimit设置
  • 将进程可创建文件的大小的资源限制（RLIMIT_FSIZE）置为0
  • 对进程正在执行的二进制可执行文件没有读权限（防止借助核心转储文件获取程序代码）
  • 以只读方式挂载当前工作目录的文件系统，或文件系统空间已满，又或者i-node资源耗尽
  • set-user-ID（set-group-ID）程序在由非文件属主（或属组）执行时，不会产生核心转储文件（借助于Linux专有调用prctl的PR_SET_DUMPABLE操作，可为进程设置dumpable标志，当非文件属主运行set-user-ID（set-group-ID）程序时，即可产生核心转储文件）

Linux特有的/proc/PID/coredump_filter，可以对写入核心转储文件的内存映射类型施以进程级控制，有4种内存映射：私有匿名映射、私有文件映射、共享匿名映射、共享文件映射，文件默认值提供了传统的Linux行为：仅对私有匿名映射和共享匿名映射进行转储
Linux特有的/proc/sys/kernel/core_pattern，可用格式化字符串为核心转储文件重命名，其默认名是core

  1. %c  文件大小的资源软限制
  2. %e  可执行文件名
  3. %g  遭转储进程的实际组ID
  4. %h  主机系统的名称
  5. %p  遭转储进程的进程ID
  6. %s  导致进程终止的信号编号
  7. %t  转储时间
  8. %u  遭转储进程的实际用户ID
  9. %%  单个%字符
传递、处置和处理的特殊情况

SIGKILL和SIGSTOP的默认行为是终止和停止一个进程，无法改变，如果试图使用signal或sigaction改变，总是返回错误，也不能阻塞这两个信号，这意味着总是可以使用它们终止或停止一个失控进程
SIGCONT可以使某些（因接收SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU）处于停止状态的进程得以继续运行，即使该进程处于正在阻塞或忽略SIGCONT信号，如果处于停止的进程接收的是其他信号，在接收到SIGCONT恢复运行之前，信号实际上并未传递，SIGKILL属于例外
如果程序在执行时发现，已经将对由终端产生信号的处置设置为SIG_IGN（忽略），程序通常不应该试图去改变信号处置

可中断和不可中断的进程睡眠状态

SIGKILL和SIGSTOP信号对进程的作用是立竿见影的，但是有限制：

  • TASK_INTERRUPTIBLE：进程正在等待某一事件如等待终端输入、等待数据写入管道等，为这种状态下的进程产生信号，那么操作中断，传递来的信号将唤醒进程，用ps命令查看处于此状态的进程STAT字段标记为S
  • TASK_UNINTERRUPIBLE：进程正在等待某些特定类型的事件如磁盘IO的完成，为这种状态下的进程产生信号，那么在进程结束这种状态之前，系统不会把信号传递给进程，用ps命令查看此状态进程的STAT字段标记为D
  • TASK_KILLABLE：类似于TASK_UNINTERRUPIBLE，但是会在进程收到一个致命信号时将其唤醒
    硬件产生的信号
    硬件异常可以产生SIGBUS、SIGFPE、SIGILL、SIGSEGV，调用kill也可以发送这些信号，但是很少见，正确处理硬件产生的信号方法有二：
  1. 接受信号的默认行为（如终止进程）
  2. 为其编写不会正常返回的处理函数如_exit或siglongjmp，确保将控制传递回主程序的某一位置

因为在硬件异常情况下，如果进程从此类信号的处理函数返回，或进程忽略或阻塞此类信号，进程的行为未定义

信号的同步生成和异步生成

异步：引发信号产生的事件，其发生与进程的执行无关
同步：硬件异常导致的5种信号或进程通过raise、kill或killpg向自身发送信号

信号传递的时间与顺序

同步产生的信号立即传递，异步产生的信号即使没有阻塞，在信号产生与实际传递之间可能存在一个瞬时延迟，在此期间，信号处于等待状态，内核将等待信号传递给进程的时机是：该进程正在运行，且发生由内核态到用户态的下一次切换时，这意味着在如下时刻才会传递信号：

  1. 进程再次获得调度时
  2. 系统调用完成时（信号的传递可能引起正在阻塞的系统调用过早完成）

如果进程使用sigprocmask解除对多个等待信号的阻塞，所有信号会立刻传递该该进程，顺序是信号的编号按升序以此传递，与信号产生的次序无关；当多个等待信号解除阻塞时，而在信号处理函数执行期间发生了内核态和用户态的切换，那么将中断此处理器函数的执行，转而去调用第二个信号处理函数

signal的实现及可移植性

signal在不同实现中具有不同的语义，特别是早期的实现并不可靠，这意味着：

  • 刚一进入信号处理函数，会将信号处置重置为其默认行为
  • 在信号处理函数执行期间，不会对新产生的信号进行阻塞

鉴于此，sigaction是建立信号处理函数的首选

实时信号

较之于标准信号的优势：

  1. 信号范围有所扩大，标准信号中可供随意使用的仅有SIGUSR1和SIGURS2
  2. 队列化管理，同样的实时信号发送多次，将传递多次，而标准信号只传递一次
  3. 可以指定伴随数据（一整型或指针）
  4. 多个实时信号处于等待状态，率先传递最小编号的那个，如果是同一类型，与发送信号的顺序一致

RTSIG_MAX：实时信号的可用数量
SIGRTMIN：实时信号编号的最小值
SIGRTMAX：实时信号编号的最大值
为了可移植性，实时信号编号的定义应该使用SIGRTMIN + x的形式
RLIMIT_SIGPENDING：限制了可排对的信号总数
/proc/PID/status的SigQ字段：正在等待某一进程的实时信号数量
使用实时信号的规则：

  1. 发送进程使用sigqueue系统调用发送信号及其伴随数据，kill、killpg、raise也可以发送，但不能保证排序
  2. 要为该信号建立信号处理函数，接收进程应以SA_SIGINFO标志发起对sigacton的调用
  3. 在sigaction结构的sa_sigacton而不是通常的sa_handler提供信号处理程序

发送实时信号：

  1. #include <signal.h>
  3. int sigqueue(pid_t pid, int signo, const union sigval value);
  4. // 若成功，返回0，若出错，返回-1，一旦超过排队限制，将调用失败，置errno为EAGAIN
  5. // 只能把信号发送给单个进程，可以使用value传递整型或指针，发送的信号不能被无限排队，最大为SIGQUEUE_MAX
  7. union
  8. {
  9.     int sival_int;   // 伴随数据之整型
  10.     void *sival_ptr; // 伴随数据之指针，很少使用
  11. }

处理实时信号：

  1. struct sigaction act;
  3. sigemptyset(&act.sa_mask);
  4. act.sa_sigaction = handler;
  5. act.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO;
  7. if (sigaction(SIGRTMIN + 5, &act, NULL) == -1)
  8.     perror("sigaction error");

一旦使用SA_SIGINFO标志，信号处理函数的第二个参数必须是一个siginfo_t结构，包含实时信号的附加信息：

  1. typedef struct __siginfo 
  2. {
  3.     int    si_signo;        /* 信号编号 */
  4.     int    si_errno;        /* 错误码 */
  5.     int    si_code;        /* 信号来源的深入信息 */
  6.     pid_t    si_pid;            /* 发送进程的PID */
  7.     uid_t    si_uid;            /* 发送进程的真实用户ID */
  8.     int    si_status;        /* 子进程的退出状态 */
  9.     void    *si_addr;        /* 针对硬件产生的SIGBUS和SIGSEGV表示引发无效内存的地址，对于SIGILL和SIGFPE而言，表示信号产生的程序指令地址 */
  10.     union sigval si_value;        /* 伴随数据 */
  11.     long    si_band;        /* IO事件相关的“带事件“值 */
  12.     unsigned long    __pad[7];    /* Reserved for Future Use */
  13. } siginfo_t;
使用掩码来等待信号：sigsuspend

场景：

  1. 临时阻塞一个信号，防止其信号处理函数不会将某些关键代码片段中断
  2. 解除对此信号的阻塞，暂停执行，直到有信号到达

要达到此目的，需要将解除信号阻塞和挂起进程两个动作封装为一个原子操作：

  1. #include <signal.h>
  3. int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);
  4. // 总是返回-1，且将errno设置为EINTR
  6. // 1. 进程的信号屏蔽字设置为sigmask
  7. // 2. 在捕捉到一个信号或发生了一个会终止该进程的信号之前，该进程被挂起
  8. // 3. 如果捕捉到一个信号且从该信号处理函数返回，则sigsuspend返回，且该进程的信号屏蔽字设置为调用sigsuspend之前的值

相当于以不可中断方式执行如下操作：

  1. sigprocmask(SIG_SETMASK, &block_mask, &prev_mask) // assign new mask
  2. pause();
  3. sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL)  // restore old mask

主要用途：

  • 保护代码临界区，使其不被特定信号中断
  • 等待一个信号处理程序设置一个全局变量
  • 实现父进程、子进程之间的同步
    以同步方式等待信号
    作为sigsuspend的替代方案，使用更为简单： ```

    include

int sigwaitinfo(const sigset_t set, siginfo_t info); // 返回值：若成功，返回发送的信号个数，若出错，返回-1 // 调用会挂起进程，直至set信号集中某个信号到达，如果该信号处于等待状态，则立即返回 // info若不为空，包含信号与信号处理函数中的参数相同 // 不对标准信号排序，仅对实时信号排序，且遵循低编号优先 // 调用sigwaitinfo而不阻塞set中的信号将导致不可预知的行为

  1. ```
  2. int sigtimedwait(const sigset_t *set, siginfo_t *info, const struct timespec *timeout);
  3. // 返回值：若成功，返回发送的信号个数，若出错或超时，返回-1
  4. // 如果将timeout的两个字段都指定为0，则立刻超时返回，如果将timeout指定为NULL，则等同于sigwaitinfo
通过文件描述符来获取信号

signalfd是Linux提供的非标准系统调用，可以创建一个特殊的文件描述符，发送给进程的信号都可以从此读取，为同步接收信号提供了sigwaitinfo之外的另一种选择：

  1. #include <sys/signalfd.h>
  3. int signalfd(int fd, const sigset *mask, int flags);
  4. // 返回值：若成功，返回文件描述符，若出错，返回-1
  5. // 如同sigwaitinfo一样，通常也应该调用sigprocmask阻塞mask中的信号，确保有机会读取这些信号前，不会按默认处置
  6. // 如果指定fd为-1，会创建一个新的文件描述符，用于读取mask中的信号，否则将修改与fd相关的mask值
  7. // flag可以指定为SFD_CLOEXEC或SFD_NONBLOCK
利用信号进行进程间通信

相比较于其他IPC，信号编程既繁且难，原有如下：

  • 信号的异步本质意味着要面对各种问题，如可重入需求、竞争条件、信号处理函数中处理全局变量（如果用sigwaitinfo或signalfd来同步信号，这些问题大部分不会遇到）
  • 没有对标准信号进行排序，对于实时信号，存在排队数量限制
  • 信号所携带的信号量有限，一个字节，过低的带宽使得信号传输极为缓慢
    早期的信号API（System V和BSD）
    System V信号API： ```

    define _XOPEN_SOURCE 500

include

void (sigset(int signo, void (handler)(int)))(int); // 返回值：若成功，返回上一次的信号处置，如果信号被阻塞，返回SIG_HOLD，若出错，返回-1 // handler的参数可以是SIG_IGN、SIG_DFL或信号处理函数的地址，或指定为SIG_HOLD，将信号添加到信号屏蔽字而保持信号处置不变

int sighold(int signo); // 添加 int sigrelse(int signo); // 移除 int sigignore(int signo);// 设定某一信号的处置为忽略 // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1

int sigpause(ing signo); // 类似sigsuspend // 总是返回-1，同时置errno为EINTR

  1. BSD信号API：

define _BSD_SOURCE

include

int sigvec(int signo, struct sigvec vec, struct sigvec ovec); // 类似sigaction // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1

int sigblcok(int mask); // 类似sigprocmask的SIG_BLOCK int sigsetmask(int mask);// 类似sigprocmask的SIG_SETMASK // 返回值：都返回上个信号屏蔽字

int sigpause(int sigmask); // 总是返回-1，同时置errno为EINTR

int sigmask(int sig); // 类似sigsuspend，与System V具有不同的调用签名 // 将信号编号转换为相应的32位掩码值

```