Linux进程信号

进程信号

• 1. 信号的概念
• 2. 信号的产生
• • 2.1 铺垫概念
  • 2.2 通过键盘产生信号
  • 2.3 通过系统调用产生信号
  • 2.4 由异常(硬件)产生信号
  • 2.5 由软件条件产生信号
• 3. 信号的保存
• • 3.1 信号其他相关常见概念
  • 3.2 信号集操作函数
• 4. 信号的处理
• • 4.1 内核如何实现信号的捕捉
• 5. 信号的其他补充问题
• • 5.1 可重入函数
  • 5.2 volatile
  • 5.3 SIGCHLD信号

1. 信号的概念

前不久，我们刚了解过信号量，那么信号和信号量有关系吗？答案是，几乎没有任何关系，就和“老婆”和“老婆饼”一样，老婆饼里没有老婆，自然信号量里也没有信号了~

在现实生活中，有很多信号的栗子，比如红绿灯、下课铃声、狼烟（古代的烽火狼烟，说明外敌入侵了）、战争时候旗语、冲锋号、上班早晨的闹钟（头痛 ~ ）等等，都是信号的象征，发出信号证明你该做点什么事儿了。

拿红绿灯来说吧

在小时候，父母或者老师一定给我们讲过如何识别红绿灯，于是自然而然的在我们心中形成一个印象，红灯行绿灯行，从此我们也就知道对应的灯亮，意味着什么，要做什么了。

信号没有产生的时候，其实我们已经知道怎么处理这个信号了！如果在等红绿灯出现点突发情况，比如遇见认识的人寒暄几句，那么我们看见红绿灯，就不一定会立即过马路了。所以说信号产生了，我们不一定要立即处理它，而是在合适的时候处理！并且我要有一种能力，将已经到来的信号，进行暂时的保存。

• 你在网上买了很多件商品，在等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时，你该怎么处理快递。也就是你能“识别快递”。
• 当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是你正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取”。
• 在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你“记住了有一个快递要去取”。
• 当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）；2. 执行自定义动作（快递是零食，你要送给你你的女朋友）；3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔到地下，继续开一把，好真实哈哈）。
• 快递到来的整个过程，对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话。

信号的到来，我们并不清楚具体是什么时候，信号的到来相对于我正在做的工作，是异步产生的！

在以上所说的“我/我们”就代表进程。

总结一下，什么叫做信号呢？信号是一种向目标进程发送通知消息的一种机制。

2. 信号的产生

2.1 铺垫概念

用户输入命令，在Shell下启动一个前台进程。用户按下Ctrl+C ，这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程。前台进程因为收到信号，进而引起进程退出

• Ctrl+C产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行，这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。
• Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接到像Ctrl+C这种控制键产生的信号。
• OS会自动的把shell提到前台或者后台（比如当有一前台进程正在运行，shell自动就会变为后台运行）。前台进程不能暂停，如果被暂停了，该前台进程必须立即被放到后台。
• 前台进程在运行过程中用户随时可能按下Ctrl+C而产生一个信号，也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到SIGINT 信号而终止，所以信号相对于进程的控制流程来说是异步(Asynchronous)的。

一些命令：

• ./XXXX &：让该可执行程序后台运行
• jobs：查看后台进程
• fg number：把任务编号为number的任务放到前台
• Ctrl+Z：暂停一个前台进程，也就是把一个前台任务变成后台任务并暂停。
• bg number：使编号为number的后台进程继续运行

OS怎么知道键盘什么时候有数据输入了呢？

如果采用轮询检测的方案是非常不可取的，因为连接计算机的硬件，如果每一个硬件都去轮询检测，那么CPU的性能会大打折扣。所以当键盘输入时，会向CPU发送一个中断信号，当CPU接收到这个中断信号，证明键盘有数据输入了！

信号的本质就是用软件来模拟中断的行为。

信号的处理动作有以下三种：

1. 忽略此信号。
2. 执行该信号的默认处理动作。
3. 自定义捕捉信号，提供一个信号处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉(Catch)一个信号。（大部分信号都是可以自定义被捕捉的，只有少部分信号不可以，比如9号信号）

如果我们想查到对于某种信号的默认处理动作，可以使用命令man 7 signal，向下翻找，就能看到：

信号的产生：

1. 由上知道，可以通过键盘进行信号的产生，Ctrl + C向前台进程发送2号信号；Ctrl + Z默认暂停前台进程，向前台进程发送20号信号；Ctrl + \默认终止进程，向前台进程发送3号信号。
2. 通过系统调用产生

2.2 通过键盘产生信号

我们知道，Ctrl + C可以杀掉前台进程，同样的使用kill -2也可以杀掉当前进程，那么如何证明Ctrl + C和kill -2是等价的呢？此时需要用到一个signal函数

搞段代码

#include <iostream> #include <unistd.h> #include <signal.h> #include <stdlib.h>  using namespace std;  void handler(int signo) {     cout << "获得一个2号信号, pid:" << getpid() << endl;     exit(1); }  int main() {     signal(2, handler);      while (1)     {         cout << "running, pid:" << getpid() << endl;         sleep(1);     }     return 0; } 

signal收到2号信号，转为指向handler函数的操作，下面就是实践出真知！

首先用Ctrl + C:

再用kill命令

如此，结果得证，Ctrl + C和kill -2是等价的。

用kill -l命令查看系统定义的信号列表

可以发现，在这么多的信号里，没有0号、32号和33号信号，1-31号信号属于普通信号，34-64号信号属于实时信号。

每一个进程都有一张自己的函数指针数组，数组的下标和信号编号强相关。

对于普通信号来说，进程收到信号之后，进程要表示自己是否收到了某种信号

使用位图，比特位的位置，决定信号的编号；比特位的内容，决定是否收到信号。

OS向目标进程发信号，实际上就是OS向目标进程写信号，就是修改OS内的位图的标志位由0变为1，即完成了一次的信号的发送。

无论信号有多少种产生方式，永远只能由操作系统本身向目标进程发送！这是为什么捏？

因为OS是进程的管理者！

每个进程对于信号来说都有

1. 函数指针数组
2. 信号位图

2.3 通过系统调用产生信号

首先用man手册查看一下这个关于产生信号的系统调用kill

来段代码演示一下用法

#include <iostream> #include <string> #incldue <sys/types.h> #include <signal.h>  using namespace std;  static void Usage(const string &cd) {     cout << "please input:" << cd << " -signalnum process" << endl; } int main(int argc, char* argv[]) { 	if (argc != 3) 	{ 		Usage(argv[0]); 	} 	     int processid = stoi(argv[2]);     int signalnum = stoi(argv[1] + 1);          kill(processid, signalnum); 	 	return 0; } 

效果如下：

可以很清楚的看到，使用命令之前，有父子进程一块运行，使用命令之后，子进程被杀掉了，只有父进程一个进程在孤独的运行。

kill函数是给任意进程发送任意信号。

再介绍一个新的函数，raise函数，给自己发送任意信号。

再搞段代码验证一下：

#include <iostream> #include <signal.h>  using namespace std;  void handler(int signo) {     cout << "获得一个" << signo << "号信号, pid:" << getpid() << endl; }  int main() {     signal(2, handler);      while (1)     {         raise(2);         sleep(1); // 每隔一秒向自己发送2号信号     }     return 0; } 

现象如下：

可以清楚的看到不论是自己发送的2号信号还是Ctrl + C都被拦截了。

还有一个系统调用，abort函数，使当前进程接收到6号信号而异常终止。

就像exit函数一样，abort函数总是会成功的，所以没有返回值。

验证一下：

#include <iostream> #include <stdlib.h>  using namespace std;  void handler(int signo) {     cout << "获得一个" << signo << "号信号, pid:" << getpid() << endl; }  int main() {     signal(6, handler);      abort();     while (1)     {         cout << "I am running..." << endl;         sleep(1);     }     return 0; } 

现象如下：

abort函数发送的6号信号，概念得证，但是程序并没有像想象中的持续运行，而是依旧被终止掉了，说明6号信号也是一个不可被自定义捕捉的信号！

2.4 由异常(硬件)产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核，然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令，CPU的运算单元会产生异常，内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址，MMU会产生异常，内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

首先是除零异常，会发送8号信号然后终止进程。

#include <iostream> #include <stdlib.h>  using namespace std;  void handler(int signo) {     cout << "获得一个" << signo << "号信号, pid:" << getpid() << endl;     sleep(1); }  int main() {     signal(8, handler);      int n = 10;     n /= 0;          return 0; } 

来看看现象：

没有意外的的是，我们获取了8号信号，但是有个奇怪现象，这段代码通篇都没有循环，为什么一直在处理8号信号呢？

• CPU内的寄存器属于硬件，但寄存器内的内容不属于CPU，而属于当前正在运行的进程，这个内容我们称之为当前进程的硬件上下文。
• 当进程出现异常时，默认是终止这个进程的，把进程杀掉就是OS处理异常的手段之一。
• 但是，我们的代码将这个异常信号给自定义捕捉了，并不再终止进程，这个异常会一直存在，所以只要CPU每次被调度，寄存器把上下文保存并恢复时，就会一直提示操作系统出现异常，并把异常转化为信号发送给进程，也就是给了自定义捕捉，就只会打印一句话，而不会终止，如此循环往复。（语文功底有点差，感觉说的有点点绕，见谅！T^T）

紧接着的异常是访问野指针问题，会发生段错误，会发送11号信号然后终止进程。

（具体现象和除零异常差不多~这里不再赘述）

最后说一个结论：

产生信号的方式可以有很多种，但是发送信号只能由操作系统来发！

2.5 由软件条件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号，在“管道”中已经介绍过了。这里主要介绍alarm函数 和SIGALRM信号。

在Linux中是可以设置闹钟的，就和现实生活中的闹钟一样，在规定时间提醒你。

• 调用alarm函数可以设定一个闹钟，也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发14号(SIGALRM)信号，该信号的默认处理动作是终止当前进程。
• 返回值：0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。
• 打个比方，某人要小睡一觉，设定闹钟为30分钟之后响，20分钟后被人吵醒了，还想多睡一会儿，于是重新设定闹钟为15分钟之后响，“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0，表示取消以前设定的闹钟，函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。

3. 信号的保存

3.1 信号其他相关常见概念

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)。
• 信号从产生到递达之间的状态，也就是你的信号在那张信号位图时，称为信号未决(Pending)。
• 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。效果就是未决之后，暂时不进行递达，直到解除对信号的阻塞。
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。
• 注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

在上面我们讲述过，处理信号的方式有三种：

1. 忽略信号（就是处理信号，并不是字面意思给他忽略了！）
2. 执行默认动作
3. 自定义捕捉信号

• 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中，SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作。
• SIGINT信号产生过,但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
• SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，将如何处理？POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。
• Linux是这样实现的：常规信号在递达之前产生多次只记录一次，而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。把接收到的信号只记录一次的，这种机制的信号我们称之为普通信号也就是常规信号。
• 从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志，非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储，sigset_t称为信号集，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。下一节将详细介绍信号集的各种操作。 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

3.2 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。

#include <signal.h> int sigemptyset(sigset_t *set); int sigfillset(sigset_t *set); int sigaddset (sigset_t *set, int signo); int sigdelset(sigset_t *set, int signo); int sigismember(const sigset_t *set, int signo); 

• 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号。
• 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
• 注意，在使用sigset_ t类型的变量之前，一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。

这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数，用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0,出错返回-1。

• 调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

• #include <signal.h>
• int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
• 返回值：若成功则为0，若出错则为-1。

oset返回的是老的block表的位图。如果oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则更改进程的信号屏蔽字，参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask，下面说明了how参数的可选值。

• SIG_BLOCK：set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask = make | set
• SIG_UNBLOCK：set包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于mask = mask$~set
• SIG_SETMASK：设置当前信号屏蔽字为set所指向的值，相当于mask = set

如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。

• 调用函数sigpending获取pending表

读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。

• #include <signal.h>
• int sigpending(sigset_t *set);
• 返回值：调用成功则返回0，出错则返回-1。

在信号处理之前，pending中的数字就由1置为0了。

4. 信号的处理

信号在合适的时候被处理，就是进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号的检测和信号的处理。

用户态是种受控的状态，能够访问的资源是有限的；而内核态是一种操作系统的工作状态，能够访问大部分的系统资源。系统调用的背后就包含了身份的变化！就如同曾经的库函数调用一样，调用系统调用接口，也是在进程的地址空间中进行的！

无论进程如何调度，cpu都可以直接找到OS！

我们的进程的所有代码的执行，都可以在自己的地址空间内通过跳转的方式，进行调用和返回！！

4.1 内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。 如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

接下来介绍sigaction函数

• sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回- 1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体
• 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号，或者说向内核注册了一个信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然，0这也是一个回调函数，不是被main函数调用,而是被系统所调用。

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。 sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0，sa_sigaction是实时信号的处理函数，这里不做深入了解。

5. 信号的其他补充问题

5.1 可重入函数

main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步，刚做完第一步的 时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回用户态之前检查到有信号待处理，于是切换 到sighandler函数，sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2，插入操作的 两步都做完之后从sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二步。结果是，main函数和sighandler先后 向链表中插入两个节点，而最后只有一个节点真正插入链表中了。

像上例这样，insert函数被不同的控制流程调用，有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，这称为重入，insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，像这样的函数称为不可重入函数。反之，如果一个函数只访问自己的局部变量或参数，允许被多个执行路重复进入，则称为可重入(Reentrant) 函数。

可重入和不可重入描述的是一种函数的特征

5.2 volatile

volatile的作用：保持内存的可见性

搞段代码

#include <iostream> #include <unistd.h>  using namespace std;  int flag = 0; void handler(int signo) { 	cout << "signo is " << signo << endl; 	flag = 1; 	cout << "flag is changed!" << endl; }  int main() { 	signal(2, handler); 	cout << "pid:" << getpid() << endl; 	while (true); 	cout << "quit normally!" << endl; 	return 0; } 

运行一下，观察现象：

在O1优化情况下，键入CTRL+C，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改flag＝1，但是while 条件依旧满足，进程继续运行！不过很明显，flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？

很明显， while 循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。while 检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要volatile。只要在定义flag之前加上volatile即可，volatile int flag = 0;。从此以往，所有关于flag的操作，都要从内存中拿取！

5.3 SIGCHLD信号

子进程在退出的时候，并不是什么都没告知进程的，而是给父进程发送SIGCHLD信号的。

• 进程一章讲过用wait和waitpid函数清理僵尸进程,父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理（也就是轮询的方式）。采用第一种方式，父进程阻塞了就不能处理自己的工作了；采用第二种方式，父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下，程序实现复杂。
• 其实，子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略，父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数，这样父进程只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了，子进程终止时会通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。
• 事实上，由于UNIX 的历史原因，要想不产生僵尸进程还有另外一种办法：父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN，这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉，不会产生僵尸进程，也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略 通常是没有区别的，但这是一个特例。此方法对于Linux可用，但不保证在其它UNIX系统上都可用。