参考引用

• UNIX 环境高级编程 (第3版)
• 黑马程序员-Linux 系统编程

1. 信号基础理论

1.1 概念和机制

• 概念

  • 信号在生活中随处可见，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：简单、不能携带大量信息、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

• 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并由内核处理

1.2 与信号相关的事件和状态

• 信号产生方式
  • 按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\
  • 系统调用产生，如：kill、raise、abort
  • 软件条件产生，如：定时器 alarm
  • 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)
  • 命令产生，如：kill 命令
• 递达状态
  • 递送并且到达进程，直接被内核处理掉
• 未决状态
  • 产生和递达之间的状态，主要由于阻塞 (屏蔽) 导致该状态
• 信号的处理方式
  • 执行默认动作
  • 忽略 (丢弃)
  • 捕捉 (自定义，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 和文件描述符表，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)
  • 本质是位图，用来记录信号的屏蔽状态。将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽某信号后，当再收到该信号时，该信号的处理将推后 (一直处于未决状态，直到解除屏蔽)
• 未决信号集
  • 本质是位图，用来记录信号的处理状态。信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为 1，表信号处于未决状态；当信号被处理则对应位翻转回为 0，这一时刻往往非常短暂
  • 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。在阻塞解除前，信号一直处于未决状态

1.3 信号的编号

$ kill -l
 1) SIGHUP	 2) SIGINT	 3) SIGQUIT	 4) SIGILL	 5) SIGTRAP
 6) SIGABRT	 7) SIGBUS	 8) SIGFPE	 9) SIGKILL	10) SIGUSR1
11) SIGSEGV	12) SIGUSR2	13) SIGPIPE	14) SIGALRM	15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT	17) SIGCHLD	18) SIGCONT	19) SIGSTOP	20) SIGTSTP
21) SIGTTIN	22) SIGTTOU	23) SIGURG	24) SIGXCPU	25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM	27) SIGPROF	28) SIGWINCH	29) SIGIO	30) SIGPWR
31) SIGSYS	34) SIGRTMIN	35) SIGRTMIN+1	36) SIGRTMIN+2	37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4	39) SIGRTMIN+5	40) SIGRTMIN+6	41) SIGRTMIN+7	42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9	44) SIGRTMIN+10	45) SIGRTMIN+11	46) SIGRTMIN+12	47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14	49) SIGRTMIN+15	50) SIGRTMAX-14	51) SIGRTMAX-13	52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11	54) SIGRTMAX-10	55) SIGRTMAX-9	56) SIGRTMAX-8	57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6	59) SIGRTMAX-5	60) SIGRTMAX-4	61) SIGRTMAX-3	62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1	64) SIGRTMAX

• 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

1.4 信号四要素

• 信号使用之前，应先确定其四要素，而后再用
  • 编号、名称、事件和默认处理动作

  $ man 7 signal
  Signal     Value     Action   Comment
  ──────────────────────────────────────────────────────────────────────
  SIGHUP        1       Term    Hangup detected on controlling terminal
                                  or death of controlling process
  SIGINT        2       Term    Interrupt from keyboard
  SIGQUIT       3       Core    Quit from keyboard
  SIGILL        4       Core    Illegal Instruction
  SIGABRT       6       Core    Abort signal from abort(3)
  SIGFPE        8       Core    Floating-point exception
  SIGKILL       9       Term    Kill signal
  SIGSEGV      11       Core    Invalid memory reference
  SIGPIPE      13       Term    Broken pipe: write to pipe with no readers; see pipe(7)
  SIGALRM      14       Term    Timer signal from alarm(2)
  SIGTERM      15       Term    Termination signal
  SIGUSR1   30,10,16    Term    User-defined signal 1
  SIGUSR2   31,12,17    Term    User-defined signal 2
  SIGCHLD   20,17,18    Ign     Child stopped or terminated
  SIGCONT   19,18,25    Cont    Continue if stopped
  SIGSTOP   17,19,23    Stop    Stop process
  SIGTSTP   18,20,24    Stop    Stop typed at terminal
  SIGTTIN   21,21,26    Stop    Terminal input for background process
  SIGTTOU   22,22,27    Stop    Terminal output for background process
  SIGBUS    10,7,10     Core    Bus error (bad memory access)
  SIGPOLL               Term    Pollable event (Sys V).
  SIGPROF   27,27,29    Term    Profiling timer expired
  SIGSYS    12,31,12    Core    Bad system call (SVr4);
  SIGTRAP      5        Core    Trace/breakpoint trap
  SIGURG    16,23,21    Ign     Urgent condition on socket (4.2BSD)
  SIGVTALRM 26,26,28    Term    Virtual alarm clock (4.2BSD)
  SIGXCPU   24,24,30    Core    CPU time limit exceeded (4.2BSD);
  SIGXFSZ   25,25,31    Core    File size limit exceeded (4.2BSD);
  SIGIOT       6        Core    IOT trap. A synonym for SIGABRT
  SIGEMT     7,-,7      Term    Emulator trap
  SIGSTKFLT  -,16,-     Term    Stack fault on coprocessor (unused)
  SIGIO     23,29,22    Term    I/O now possible (4.2BSD)
  SIGCLD     -,-,18     Ign     A synonym for SIGCHLD
  SIGPWR    29,30,19    Term    Power failure (System V)
  SIGINFO    29,-,-             A synonym for SIGPWR
  SIGLOST    -,-,-      Term    File lock lost (unused)
  SIGWINCH  28,28,20    Ign     Window resize signal (4.3BSD, Sun)
  SIGUNUSED  -,31,-     Core    Synonymous with SIGSYS
  

• 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
• 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

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

1.5 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
• （17）SIGCHLD
  • 子进程状态发生变化时，父进程会收到这个信号
  • 默认动作为忽略这个信号
• （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。本信号不能被忽略，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，它不仅包括该进程占用 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
  • 默认动作为忽略该信号
• （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
• （34）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）
  • 所有实时信号的默认动作都为终止进程

2. 信号的产生

2.1 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）

2.2 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

2.3 kill 函数/命令产生信号

• kill 命令

$ kill -SIGKILL pid

• kill 函数

  • 给指定进程发送指定信号 (不一定杀死)

  #include <sys/types.h>
  #include <signal.h>
  
  // 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
  int kill(pid_t pid, int sig);
  

  • sig
    • 待发送的信号
    • 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| 绝对值发给对应进程组
    • 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

  • 发送者实际或有效用户 ID == 接收者实际或有效用户 ID

案例

• 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

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>
  #include <errno.h>
  #include <pthread.h>
  #include <signal.h>
  
  void sys_err(const char *str) {
      perror(str);
      exit(1);
  }
  
  int main(int argc, char *argv[]) {
      pid_t pid = fork();
  
      // 处于父进程中，进入了一个无限循环，每 1 秒打印输出当前父进程的 PID，并调用 sleep 函数进行延时
      if (pid > 0) {
          while (1) {
              printf("parent, pid = %d\n", getpid());
              sleep(1);
          }
      } else if (pid == 0) {
          printf("child pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
          sleep(5);
  
          // 发送信号的进程 id 是 0，表示给与自己所在进程组的成员发送信号
          kill(0, SIGKILL);
      }
  
      return 0;
  }
  

  $ gcc kill.c -o kill
  $ ./kill
  parent, pid = 3882
  child pid = 3883, ppid = 3882
  parent, pid = 3882
  parent, pid = 3882
  parent, pid = 3882
  parent, pid = 3882
  Killed
  

2.4 软件条件产生信号

2.4.1 alarm 函数

• 作用
  • 采用自然计时法设置定时器 (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

  #include <unistd.h>
  
  // 返回值：返回 0 或剩余的秒数，无失败
  unsigned int alarm(unsigned int seconds);
  

• 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)（此时返回 5sec 并终止）
• 定时与进程状态无关，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

案例

• 测试计算机 1 秒钟能数多少个数

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  
  int main(void) {
      int i;
      alarm(1);
      
      for(i = 0; ; i++) {
          printf("%d\n", i);
      }
      return 0;
  }
  
  

  $ gcc alarm.c -o alarm
  $ ./alarm
  1
  2
  3
  ...
  574794
  Alarm clock
  

1、使用 time 命令查看程序执行的时间
2、程序运行的瓶颈在于 IO，优化程序首选优化 IO
3、实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间

2.4.2 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

  #include <sys/time.h>
  
  // 返回值：成功 0，失败 -1
  int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
  

• 参数 which：指定定时方式
  • 自然定时
    • ITIMER_REAL → SIGLARM 计算自然时间
  • 虚拟空间计时 (用户空间)
    • ITIMER_VIRTUAL → SIGVTALRM 只计算进程占用 cpu 的时间
  • 运行时计时 (用户 + 内核)
    • ITIMER_PROF → SIGPROF 计算占用 cpu 及执行系统调用的时间

案例 1

• 使用 setitimer 函数实现 alarm 函数，重复计算机 1 秒计数程序

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <sys/time.h>
  
  /* struct itimerval  {
      struct timeval{
          it_value.tv_sec;
          it_value.tv_usec;
      } it_interval;
  
      struct timeval {
          it_value.tv_sec;
          it_value.tv_usec;
      } it_value;
      
      } it, oldit;
  */
  
  unsigned int my_alarm(unsigned int sec) {
      struct itimerval it, oldit;
      int ret;
      
      it.it_value.tv_sec = sec;
      it.it_value.tv_usec = 0;
      it.it_interval.tv_sec = 0;
      it.it_interval.tv_usec = 0;
      
      ret = setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oldit);
      if (ret == -1) {
          perror("setitimer");
          exit(1);
      }
      return oldit.it_value.tv_sec;
  }
  
  int main(void) {
      int i;
      my_alarm(1);  //alarm(sec);
      
      for(i = 0; ; i++)
          printf("%d\n", i);
      
      return 0;
  }
  

案例 2

• 使用 setitimer 定时，向屏幕打印信息
  • 第一次信息打印是 2 秒间隔，之后都是 5 秒间隔打印一次。可以理解为第一次是有个定时器，什么时候触发打印，之后就是间隔时间

  nclude <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <sys/time.h>
  #include <signal.h>
  
  void myfunc(int signo) {
      printf("hello world\n");
  }
  
  int main(void) {
      struct itimerval it, oldit;
  
      signal(SIGALRM, myfunc);
  
      it.it_value.tv_sec = 2;
      it.it_value.tv_usec = 0;
  
      it.it_interval.tv_sec = 5;
      it.it_interval.tv_usec = 0;
  
      if (setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oldit) == -1) {
          perror("setitimer error");
          exit(1);
      }
  
      while(1);
  
      return 0;
  }
  

3. 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，未决信号集不能直接操作
• 信号屏蔽字 mask 可以影响未决信号集
• 可以在应用程序中自定义 set（右下角）来改变 mask，以达到屏蔽指定信号的目的

3.1 信号集设定

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

  #include <signal.h>
  
  // 将某个信号集清 0           成功：0；失败：-1
  int sigemptyset(sigset_t *set);
  // 将某个信号集置 1           成功：0；失败：-1
  int sigfillset(sigset_t *set);
  // 将某个信号加入信号集        成功：0；失败：-1
  int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
  // 将某个信号清出信号集        成功：0；失败：-1
  int sigdelset(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
  int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
  

3.2 sigprocmask 函数

• 用来屏蔽信号和解除屏蔽
  • 其本质是：读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB 中)
  • 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弃处理

  #include <signal.h>
  
  int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
  

  • set：传入参数，是一个位图，set 中哪一位变为 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
    • SIG_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

3.3 sigpending 函数

• 用于读取当前进程的未决信号集

  #include <signal.h>
  
  // 返回值：成功：0；失败：-1，并设置相应的 errno
  // set 传出参数
  int sigpending(sigset_t *set);
  

案例

• 把所有常规信号的未决状态打印至屏幕
  • 用自定义集合，来设置信号阻塞，输入被设置阻塞的信号，可以看到未决信号集发生变化
  • 使用 sigprocmask 函数将一些信号加入阻塞信号集中，并使用 sigpending 函数获取当前进程挂起（未决）的信号集

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <signal.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>
  #include <errno.h>
  
  void sys_err(const char *str) {
      perror(str);
      exit(1);
  }
  
  // 用于打印信号集中的信号状态
  void print_set(sigset_t *set) {
      int i;
      for (i = 1; i < 32; i++) {
          if (sigismember(set, i)) {
              putchar('1');
          } else {
              putchar('0');
          }
      }
      printf("\n");
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      // 分别用于存储要阻塞的信号集、原来的信号集和未决的信号集
      sigset_t set, oldset, pedset;
      int ret = 0;
  
      sigemptyset(&set);    // 将 set 信号集清空
      // 向 set 信号集中添加了四个信号
      sigaddset(&set, SIGINT);
      sigaddset(&set, SIGQUIT);
      sigaddset(&set, SIGBUS);
      sigaddset(&set, SIGKILL);
  
      // 将 set 信号集中的信号阻塞，并将原来的信号集保存到 oldset 中
      // SIG_BLOCK 表示需要屏蔽的信号
      ret = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset);
      if (ret == -1) {
          sys_err("sigprocmask error");
          exit(1);
      }
  
      // 进入一个无限循环，在循环中使用 sigpending 函数获取未决的信号集
      // 并使用 print_set 函数打印出未决信号集中的信号状态
      while (1) {
          ret = sigpending(&pedset);
          print_set(&pedset);
          sleep(1);
      }
  
      return 0;
  }
  

  $ gcc sigsfunc.c -o sigsfunc
  $ ./sigsfunc
  0000000000000000000000000000000
  0000000000000000000000000000000
  ^C0100000000000000000000000000000
  0100000000000000000000000000000
  ^\0110000000000000000000000000000
  0110000000000000000000000000000
  0110000000000000000000000000000
  ...    # 对应另一个终端执行命令 kill -7 2122
  0110001000000000000000000000000
  0110001000000000000000000000000
  ...    # 对应另一个终端执行命令 kill -9 2122
  Killed
  

  $ ps aux
  yue       2122  0.0  0.0   4516   768 pts/0    S+   15:25   0:00 ./sigsfunc
  $ kill -7 2122
  $ kill -9 2122
  

9 号 SIGKILL 和 19 号 SIGSTOP 信号比较特殊，只能执行默认动作，不能忽略捕捉，不能设置阻塞

4. 信号捕捉

4.1 signal 函数

• 注册一个信号捕捉函数
  • 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

  #include <signal.h>
  
  typedef void (*sighandler_t)(int);
  sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
  

  • signum：整数类型，表示要处理信号的编号
  • handler：一个指向信号处理函数的指针
• sighandler_t 是一个函数指针类型，它指向一个函数，该函数接受一个整数类型的参数并返回 void
  • 这个函数指针类型的别名为 sighandler_t
  • sighandler_t 类型的函数指针可以作为 signal 函数的第二个参数，用来指定信号处理函数，然后通过 signal 函数将其注册为某个信号的处理函数
  • 通过函数指针的灵活性，可以在运行时动态地指定不同的信号处理函数

案例

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

void sys_err(const char *str) {
    perror(str);
    exit(1);
}

void sig_catch(int signo) {
    printf("I catch you! %d\n", signo);
    return ;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 注册一个捕捉 SIGINT（Ctrl + c） 信号的函数
    signal(SIGINT, sig_catch);

    while (1);

    return 0;
}

$ gcc signal.c -o signal
$ ./signal
^CI catch you! 2
^CI catch you! 2
^CI catch you! 2
^\Quit (core dumped)

4.2 sigaction 函数

• 修改信号处理动作（通常在 Linux 用来注册一个信号的捕捉函数）

  #include <signal.h>
  
  // 返回值 成功：0；失败：-1，设置 errno
  // act 传入参数，新的处理方式
  // oldact 传出参数，旧的处理方式
  int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
  

• 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)
  • 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 表示忽略或 SIG_DFL 表示执行默认动作
  • 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，表示使用默认属性

案例

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

void sys_err(const char *str) {
    perror(str);
    exit(1);
}

void sig_catch(int signo) {        // 回调函数
    if (signo == SIGINT) {
        printf("I catch you! %d\n", signo);
        sleep(5);
    } else if (signo == SIGQUIT) {
        printf("------I catch you! %d\n", signo);
    }
    return ;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    struct sigaction act, oldact;

    act.sa_handler = sig_catch;    // 设置回调函数
    sigemptyset(&(act.sa_mask));   // 清空 sa_mask 屏蔽字, 只在 sig_catch 工作时有效
    //sigaddset(&(act.sa_mask), SIGQUIT);
    act.sa_flags = 0;              // 默认值

    int ret = sigaction(SIGINT, &act, &oldact);  // 注册信号捕捉函数
    if (ret == -1) {
        sys_err("sigaction error");
    }
    ret = sigaction(SIGQUIT, &act, &oldact);     // 注册信号捕捉函数

    while (1);

    return 0;
}

$ gcc sigaction.c -o sigaction
$ ./sigaction 
^CI catch you! 2
^\------I catch you! 3
# 在另一个终端输入 kill xxx 后
Terminated

4.3 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）

4.4 内核实现信号捕捉

5. SIGCHLD 信号

5.1 SIGCHLD 产生条件

• 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

5.2 借助 SIGCHLD 信号回收子进程

• 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

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>
  #include <signal.h>
  #include <sys/wait.h>
  #include <errno.h>
  
  void sys_err(const char *str) {
      perror(str);
      exit(1);
  }
  
  // 有子进程终止，发送 SIGCHLD 信号时，该函数会被内核回调
  void catch_child(int signo) { 
      pid_t wpid;
      int status;
  
      while ((wpid = waitpid(-1, &status, 0)) != -1) {  // 循环回收,防止僵尸进程出现
          if (WIFEXITED(status)) {
              printf("------catch child id %d, ret = %d\n", wpid, WEXITSTATUS(status));
          }
      }   
      return;
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      pid_t pid;
  
      // 阻塞：防止注册函数还没注册完子进程就结束了
      sigset_t set;
      sigemptyset(&set);
      sigaddset(&set, SIGCHLD);
      sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
  
      int i;
      // 循环创建多个子进程
      for (i = 0; i < 15; i++) {
          if ((pid = fork()) == 0) {
              break;
          }
      }   
  
      if (15 == i) {
          struct sigaction act;
  
          act.sa_handler = catch_child;    // 设置回调函数 
          sigemptyset(&(act.sa_mask));     // 设置捕捉函数执行期间屏蔽字
          act.sa_flags = 0;                // 设置默认属性, 本信号自动屏蔽
  
          sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);  // 注册信号捕捉函数 
          
          // 解除阻塞
          sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
  
          printf("I'm parent, pid = %d\n", getpid());
  
          while (1);  // 模拟父进程后续逻辑
      } else {
          printf("I'm child pid = %d\n", getpid());
          return i;
      }   
  
      return 0;
  }
  

  $ gcc catch_child.c -o catch_child
  $ ./catch_child
  I'm child pid = 3170
  I'm child pid = 3171
  I'm child pid = 3173
  I'm child pid = 3172
  I'm child pid = 3175
  I'm child pid = 3176
  I'm child pid = 3177
  I'm child pid = 3178
  I'm child pid = 3179
  I'm child pid = 3181
  I'm child pid = 3182
  I'm child pid = 3180
  ------catch child id 3170, ret = 0
  ------catch child id 3171, ret = 1
  ------catch child id 3172, ret = 2
  ------catch child id 3173, ret = 3
  ------catch child id 3175, ret = 5
  ------catch child id 3176, ret = 6
  ------catch child id 3177, ret = 7
  ------catch child id 3178, ret = 8
  ------catch child id 3179, ret = 9
  ------catch child id 3181, ret = 11
  ------catch child id 3182, ret = 12
  ------catch child id 3180, ret = 10
  I'm child pid = 3183
  I'm child pid = 3184
  ------catch child id 3183, ret = 13
  ------catch child id 3184, ret = 14
  I'm child pid = 3174
  ------catch child id 3174, ret = 4
  I'm parent, pid = 3169
  

6. 慢速系统调用中断

• 统调用可分为两类：慢速系统调用和其他系统调用

  • 慢速系统调用
    • 可能会使进程永远阻塞的一类
    • 如果在阻塞期间收到一个信号，该系统调用就被中断，不再继续执行 (早期)
    • 也可以设定系统调用是否重启
    • 如 read、write、pause、wait 等
  • 其他系统调用
    • 如 getpid、getppid、fork 等

• 可修改 sa_flags 参数来设置被信号中断后系统调用是否重启

  • SA_INTERRURT 不重启
  • SA_RESTART 重启

• sa_flags 还有很多可选参数，适用于不同情况

  • 如：捕捉到信号后，在执行捕捉函数期间，不希望自动阻塞该信号，可将 sa_flags 设置为 SA_NODEFER，除非 sa_mask 中包含该信号