Linux高性能服务器编程 学习笔记 第十章 信号

news2024/10/5 17:21:33

信号是由用户、系统、进程发送给目标进程的信息,以通知目标进程某个状态的改变或系统异常。Linux信号可由以下条件产生:
1.对于前台进程,用户可通过输入特殊终端字符来给它发送信号,如输入Ctrl+C通常会给进程发送一个中断信号。

2.系统异常。如浮点异常或非法内存段访问。

3.系统状态变化。如alarm定时器到期将引起SIGALRM信号。

4.运行kill命令或调用kill函数。

服务器程序必须处理(或至少忽略)一些常见信号,以免异常终止。

Linux下,一个进程给其他进程发送信号的API是kill函数:
在这里插入图片描述
kill函数把信号sig参数发送给目标进程。目标进程用pid参数指定,其可能的取值及含义见下表:
在这里插入图片描述
Linux定义的信号值都大于0,如果sig参数传为0,则kill函数不发送任何信号,此时可用来检测目标进程或进程组是否存在,因为检查工作总是在信号发送前执行,但这种检测方式不可靠,一方面是由于PID的回绕,导致被检测的PID不是我们期望的进程的PID,另一方面,这种检测方法不是原子操作(检测完进程可能就终止了)。

kill函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno,以下是几种可能的errno:
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目标进程在收到信号时,需要定义一个接收函数来处理它,信号处理函数的原型为:
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信号处理只带有一个整型参数,该参数用来指示信号类型。信号处理函数应该是可重入的,否则容易引发竞态条件,因此在信号处理函数中严禁调用不安全的函数。

除了用户自定义信号处理函数外,bits/signum.h头文件中还定义了信号的另外两种处理方式:
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SIG_IGN表示忽略目标信号,SIG_DFL表示使用信号的默认处理方式。信号的默认处理方式有以下几种:结束进程(Term)、忽略信号(Ign)、结束进程并生成核心转储文件(Core)、暂停进程(Stop)、继续进程(Cont)。

Linux的可用信号都定义在bits/signum.h头文件中,其中包括标准信号和POSIX实时信号,我们仅讨论标准信号,如下表所示:
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上图中有一个错误,Ctrl+S并不是产生SIGSTOP信号,而是产生一个XOFF流量控制命令给终端,表示暂停终端上的输出,进程将在写系统调用中阻塞,同理,Ctrl+Q也不产生SIGCONT信号,而是产生一个XON流量控制命令给终端,表示重新启动终端上的输出。

如果程序在执行处于阻塞状态的系统调用时收到信号,且我们为该信号设置了信号处理函数,则默认情况下该系统调用会被中断,并将errno设置为EINTR。我们可使用sigaction函数为信号设置SA_RESTART标志以自动重启被该信号中断的系统调用。

对于默认行为是暂停进程的信号(如SIGSTOP、SIGTTIN),如果我们没有为它们设置信号处理函数,则它们也可以中断某些系统调用(如connect、epoll_wait函数),POSIX没有规定这种行为,这是Linux实现的行为。

可用signal系统调用为一个信号设置处理函数:
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sig参数指出要捕获的信号类型。_handler函数是_sighandler_t类型的函数指针,用于指定信号sig参数的处理函数。

signal函数成功时返回一个函数指针,该函数指针的类型为_sighandler_t,它是sig参数信号在调用signal前的信号处理函数的指针,或是sig参数信号的默认处理函数指针(SIG_DEF,如果是第一次设置sig参数信号的处理方式)。

signal系统调用出错时返回SIG_ERR,并设置errno。

设置信号处理函数的更健壮的接口是sigaction系统调用:
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sig参数指出要捕获的信号类型,act参数指定新的信号处理方式,oact参数会输出信号先前的处理方式。act和oact参数都是sigaction结构体类型的指针,它描述了信号处理的细节:
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sigaction结构体中的sa_handler成员指定信号处理函数;sa_mask成员设置进程的信号掩码(在进程原有信号掩码的基础上增加信号掩码),以指定在该信号的处理函数期间哪些信号不能发送给本进程,该成员类型是信号集类型sigset_t(_sigset_t的同义词),该类型指定一组信号;sa_flags成员用于设置程序收到信号时的行为,其可选值见下表:
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sigaction结构中的sa_restorer成员已经过时,最好不要使用。sigaction函数成功返回0,失败返回-1并设置errno。

Linux使用数据结构sigset_t表示一组信号:
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由定义可见,sigset_t实际是一个长整型数组,数组的每个元素的每个位表示一个信号,这种定义方式和文件描述符集fd_set类似。Linux提供了以下函数来设置、修改、删除、查询信号集:
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以下函数可用于设置或查看进程的信号掩码:
在这里插入图片描述
_set参数指定新的信号掩码,_oset参数返回原来的信号掩码(如果该参数不为NULL)。如果_set参数不为NULL,则_how参数指定设置进程信号掩码的方式,其可选值如下:
在这里插入图片描述
如果_set参数为NULL,则进程信号掩码不变,此时我们可用_oset参数来获取进程当前的信号掩码。

sigprocmask函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno。

设置进程信号掩码后,被屏蔽的信号不能被进程接收,如果给进程发送一个被屏蔽的信号,则操作系统将该信号设置为进程的一个被挂起的信号,如果我们取消对被挂起信号的屏蔽,则它立即能被进程接收到。以下函数能获得进程当前被挂起的信号集:
在这里插入图片描述
set参数返回被挂起的信号集。进程即使多次接收到同一个被挂起的信号,sigpengding函数也只能返回一次(set参数的类型决定了它只能反映信号是否被挂起,不能反映被挂起的次数),并且,当我们再次使用sigprocmask函数使能该挂起的信号时,该信号的处理函数也只触发一次。

sigpending函数成功时返回0,失败时返回-1并设置errno。

fork函数产生的子进程继承父进程的信号掩码,但具有一个空的挂起信号集。

信号是一种异步事件:信号处理函数和进程的主循环是两条不同的执行路线,我们希望信号处理函数尽可能快地执行完毕,以确保该信号不被屏蔽太久(信号在处理期间,为了避免一些竞态条件,系统不会再触发它)。一种典型的解决方案是:把信号的主要处理逻辑放在进程的主循环中,当信号处理函数被触发时,它只是简单地通知主循环程序接收到信号,并把信号值传递给主循环,主循环再根据接收到的信号值执行目标信号对应的逻辑代码。信号处理函数通常使用管道将信号通知主循环,信号处理函数往管道的写端写入信号值,主循环则从管道的读端读出该信号值,主循环中使用IO复用系统调用来监听管道的读端文件描述符上的可读事件,这样,信号事件就能和其他IO事件一样被处理,即统一事件源。

很多优秀的IO框架库和后台服务器都统一处理信号和IO事件,如Libevent IO框架库和xinetd超级服务。以下代码给出了统一事件源的一个简单实现:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>
#include <libgen.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER 1024

static int pipefd[2];

int setnonblocking(int fd) {
    int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
    return old_option;
}

void addfd(int epollfd, int fd) {
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
    setnonblocking(fd);
}

// 信号处理函数
void sig_handler(int sig) {
    // 保留原来的errno,在函数最后恢复,保证函数的可重入性
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
    // 将信号写入管道,以通知主循环,此处代码是错误的,只发送了int的低地址1字节
    // 如果系统是大端字节序,则发送的永远是0,因此可以改成发送一个int,或将sig改为网络字节序,然后发送最后一个字节
    send(pipefd[1], (char *)&msg, 1, 0);
    errno = save_errno;
}

// 设置信号的处理函数
void addsig(int sig) {
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, '\0', sizeof(sa));
    sa.sa_handler = sig_handler;
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    sigfillset(&sa.sa_mask);
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }
    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(listenfd >= 0);

    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    if (ret == -1) {
        printf("errno is %d\n", errno);
        return 1;
    }
    ret = listen(listenfd, 5);
    assert(ret != -1);

    epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
    int epollfd = epoll_create(5);
    assert(epollfd != -1);
    addfd(epollfd, listenfd);

    // 使用socketpair创建管道,注册pipefd[0]上的可读事件
    ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd);
    assert(ret != -1);
    setnonblocking(pipefd[1]);
    addfd(epollfd, pipefd[0]);

    // 设置一些信号的处理函数
    addsig(SIGHUP);
    addsig(SIGCHLD);
    addsig(SIGTERM);
    addsig(SIGINT);
    bool stop_server = false;

    while (!stop_server) {
        int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
        if ((number < 0) && (errno != EINTR)) {
            printf("epoll failure\n");
            break;
        }

        for (int i = 0; i < number; ++i) {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            // 如果就绪的文件描述符是listenfd,则处理新的连接
            if (sockfd == listenfd) {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
                int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
                addfd(epollfd, connfd);
            // 如果就绪的文件描述符是pipefd[0],则处理信号
            } else if ((sockfd == pipefd[0]) && (events[i].events & EPOLLIN)) {
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv(pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);
                if (ret == -1) {
                    continue;
                } else if (ret == 0) {
                    continue;
                } else {
                    // 每个信号占1字节,所以按字节逐个接收信号,我们用SIGERTM信号为例说明如何安全终止服务器主循环
                    for (int i = 0; i < ret; ++i) {
                        switch (signals[i]) {
                            case SIGCHLD:
                            case SIGHUP: 
                                continue;
                            case SIGTERM:
                            case SIGINT:
                                stop_server = true;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

    printf("close fds\n");
    close(listenfd);
    close(pipefd[1]);
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

当挂起进程的控制终端时(关闭终端),SIGHUP信号将被触发。对于没有控制终端的网络后台进程而言,它们通常利用SIGHUP信号来强制服务器重读配置文件,一个典型的例子是xinetd超级服务器。

xinetd进程在接收到SIGHUP信号后将调用hard_reconfig函数(见xinetd源码),它循环读取/etc/xinetd.d目录下的每个子配置文件,并检测其变化,如果某个正在运行的子服务的配置文件被修改以停止服务,则xinetd主进程将给该子进程发送SIGTERM信号以结束它。如果某个子服务的配置文件被修改以开启服务,则xinetd将创建新socket并将其绑定到该服务对应的端口上。下面分析xinetd处理SIGHUP信号的流程。

Kongming20机器上环境如下:
在这里插入图片描述
从ps命令的输出来看,xinetd创建了子进程7442,它运行echo-stream内部服务(即TCP回射服务器)。从lsof命令的输出来看,xinetd打开了一个管道,该管道的读端文件描述符的值是3。修改/etc/xinetd.d目录下的部分配置文件,然后给xinetd进程发送一个SIGHUP信号,具体操作如下:
在这里插入图片描述
strace命令可跟踪系统调用和信号,它的-p选项可指定要跟踪的进程,上图跟踪进程7438,即xinetd服务器进程,以观察xinetd如何处理SIGHUP信号,此次strace命令的部分输出见下图:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
上图中用空行分为4部分。

第一部分描述程序接收到SIGHUP信号时,信号处理函数使用管道通知主进程该信号的到来。信号处理函数往文件描述符4(管道的写端)写入信号值1(SIGHUP信号,上图中的\1是1个字节,反斜杠是转义字符,需要将1转义的原因是char值1是不可打印字符,在C风格字符串中,只能用转义来显示),而主进程使用poll函数检测到文件描述符3(管道的读端)上有可读事件,就将管道上的数据读入。

第二部分描述了xinetd重新读取一个子配置文件的过程。

第三部分描述了xinetd给子进程echo-stream(PID为7442)发送SIGTERM信号来终止该子进程,并调用waitpid等待该子进程结束。

第四部分描述了xinetd启动telnet服务的过程,创建了一个流服务socket并将其绑定到端口23上,然后监听该端口。

默认,往一个读端关闭的管道或已关闭的socket连接中写数据将引发SIGPIPE信号,我们需要在代码中捕获并处理该信号,或者至少忽略它,因为它的默认行为是结束进程,而我们绝对不希望因为错误的写操作而导致程序退出。引起SIGPIPE信号的写操作将设置errno为EPIPE。

我们可用send函数的MSG_NOSIGNAL标志来禁止写操作触发SIGPIPE信号,此时,我们应使用send函数反馈的errno值来判断管道的读端或socket连接是否已经关闭。

此外,我们也可利用IO复用系统调用来检测管道读端和socket是否已经关闭,以poll函数为例,当管道的读端关闭时,写端文件描述符上的POLLHUP事件将被触发,当socket连接被对方关闭或对方只关闭了写端时,socket上的POLLRDHUP事件将被触发。

在Linux环境下,内核通知应用进程带外数据到达主要有两种方法,一种是IO复用技术,select等系统调用在接收到带外数据时将返回,并向应用进程报告socket上的异常事件,另一种是使用SIGURG信号,如下代码所示:

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <libgen.h>

#define BUF_SIZE 1024

static int connfd;

// SIGURG信号的处理函数
void sig_urg(int sig) {
    int save_errno = errno;
    char buffer[BUF_SIZE];
    memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
    // 接收带外数据,只有SO_OOBINLINE套接字选项未开启时才能这样读带外数据,否则recv函数会返回EINVAL
    // 此处代码有一个bug,当我方接收缓冲区已满,而对方进入紧急状态时,会发一个不含数据的TCP报文段
    // 来指示对端进入了紧急状态,我方接收到这个TCP报文段后就会给本进程发送SIGURG信号
    // 但我们还未收到这个紧急字节,此时recv函数会返回EWOULDBLOCK,我们应该一直读connfd
    // 以便在接收缓冲区中腾出空间,继而允许对端TCP发送那个带外字节
    int ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, MSG_OOB);
    printf("got %d bytes of oob data '%s'\n", ret, buffer);
    errno = save_errno;
}

void addsig(int sig, void (*sig_handler)(int)) {
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, '\0', sizeof(sa));
    sa.sa_handler = sig_handler;
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    sigfillset(&sa.sa_mask);
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }
    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0) {
        printf("errno is: %d\n", errno);
    } else {
        addsig(SIGURG, sig_urg);
        // 我们必须设置socket的宿主进程或进程组
        fcntl(connfd, F_SETOWN, getpid());

        char buffer[BUF_SIZE];
        // 循环接收普通数据
        while (1) {
            memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
            ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, 0);
            if (ret <= 0) {
                break;
            }
            printf("get %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer);
        }

        close(connfd);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

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