文章目录
- 三、信号的阻塞（信号的保存）
- 1. 信号相关其他常见概念
- 2. 在内核中的表示
- 3. sigset_t类型
- 4. 信号集操作函数
- 函数列表
- 注意事项
- 5. 读取/修改block位图 - sigprocmask
- 6. 读取pending位图 - sigpending
- 四、信号捕捉
- 1. 信号捕捉的初步认识
- 自定义捕捉
- 总结思考
- 2. 再谈进程地址空间
- 内核空间与用户空间
- 用户态和内核态
- 3. 内核如何实现信号的捕捉
- 4. sigaction函数
- 五、信号部分的总结
信号的概念和信号如何产生已经在 【Linux】进程信号概念 | 核心转储 | 信号的产生 中介绍了，本文来介绍剩下的信号的保存（阻塞）和信号的捕捉。
三、信号的阻塞（信号的保存）
1. 信号相关其他常见概念
- 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，称为信号未决（pending）。
- 进程可以选择阻塞（block）某个信号，表示该进程当前不想收到这个信号，收到后把它标记为未决，但不处理它，直到解除阻塞。换句话说，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。
- 需要注意的是，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就暂时不会递达，而忽略是在递达之后的一种处理动作。
产生一个信号，信号是未决的，这个信号不一定是阻塞的。
一个信号如果被进程阻塞，进程收到该信号之后，一定会标记它为未决。
2. 在内核中的表示
-
信号在内核中的表示示意图如下：
-
对于每个进程的pcb（task_struct对象），其中的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。
-
在示意图的例子中：
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，它解除阻塞后会执行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计一次，毕竟未决只能是0或1，不可能记录次数。
- 实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里，本章不讨论实时信号。
用表格整理信号位图比特位的含义和现象：
| 信号状态 | 比特位为1 (有效) 成因 | 比特位为0 (有效) 成因 | 运行现象 |
|---|---|---|---|
| 阻塞 | 进程使用系统调用 sigprocmask 或类似方法设置阻塞标志位 | 进程使用系统调用 sigprocmask 或类似方法解除阻塞标志位 | 阻塞的信号不会被处理，直到解除阻塞 |
| 未决 | 信号产生，且未被进程处理 | 进程处理了一个未决信号 | 未决的信号等待被处理，直到进程执行相应信号的处理动作 |
用流程图整理信号传递的过程：
3. sigset_t类型
上文提到，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。
未决和阻塞的标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储：
typedef unsigned long sigset_t;
sigset_t就是信号位图，这个类型的每个比特位可以表示对应信号的“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。
- 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。
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。
未决标志是在信号产生时，如果该信号没有被阻塞，并且进程没有设置信号的忽略处理方式，内核会将相应信号的未决比特位置1。
阻塞是进程的主动行为，可以通过系统调用（如sigprocmask）来设置阻塞，将特定信号的阻塞比特位置1。
4. 信号集操作函数
在Linux中，sigset_t 类型用一个 bit 表示每种信号的“有效”或“无效”状态。使用者不需要关心该类型内部的数据存储方式，只能通过以下函数来操作 sigset_t 变量，而不应直接解释其内部数据。使用 printf 直接打印 sigset_t 变量是没有意义的。
函数列表
| <signal.h> 中的系统调用 | 描述 |
|---|---|
int sigemptyset(sigset_t *set); | 初始化 set 所指向的信号集，将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。 |
int sigfillset(sigset_t *set); | 初始化 set 所指向的信号集，将其中所有信号的对应 bit 置位，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。 |
int sigaddset(sigset_t *set, int signo); | 向 set 所指向的信号集中添加某个有效信号。 |
int sigdelset(sigset_t *set, int signo); | 从 set 所指向的信号集中删除某个有效信号。 |
int sigismember(const sigset_t *set, int signo); | 判断一个信号集的有效信号中是否包含某个信号。若包含则返回 1，不包含则返回 0，出错返回 -1。 |
使用一下上面的函数：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
sigset_t s; // 用户空间定义的变量
sigemptyset(&s); // 初始化 `set` 所指向的信号集，将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
sigfillset(&s); // 初始化 `set` 所指向的信号集，将其中所有信号的对应 bit 置位，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号
sigaddset(&s, SIGINT); // 向 `set` 所指向的信号集中添加某个有效信号
sigdelset(&s, SIGINT); // 从 `set` 所指向的信号集中删除某个有效信号
bool test = sigismember(&s, SIGINT); // 判断一个信号集的有效信号中是否包含某个信号。若包含则返回 1，不包含则返回 0，出错返回 -1
if (test)
printf("true\n");
else
printf("false\n");
return 0;
}
结果：false
注意事项
在使用 sigset_t 类型的变量之前，必须调用 sigemptyset 或 sigfillset 进行初始化，以确保信号集处于确定的状态。初始化后，可以调用 sigaddset 和 sigdelset 在该信号集中添加或删除某个有效信号。
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个信号，若包含则返回 1，不包含则返回 0，出错返回 -1。
5. 读取/修改block位图 - sigprocmask
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
使用一下：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
signed main()
{
std::cout << "getpid: " << getpid() << std::endl;
sigset_t block, oblock;
sigemptyset(&block);
sigemptyset(&oblock);
for (int signo = 1; signo <= 31; signo++) // 把1-31信号全写入block
{
sigaddset(&block, signo); // 在这里只是修改了block变量，没有让OS真正屏蔽signo号信号；
}
sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock); // 将该进程的block位图替换成我们的block位图
while (true)
{
std::cout << "我已经屏蔽了所有的信号，来打我呀！" << std::endl;
sleep(1);
}
}
使用下面的bash脚本，在另外一个bash下每隔一秒kill一下该进程：
i=1; while :; do echo "send signal:${i}..."; kill -${i} 7422; sleep 1; let i++; done
发现除了9号和19号信号，其他信号都能成功屏蔽：
印证了之前说的SIGKILL (9号信号)和SIGSTOP (19号信号)不能被捕获、阻止或忽略。
6. 读取pending位图 - sigpending
sigpending函数可以用于读取进程的未决信号集，该函数的函数原型如下：
int sigpending(sigset_t *set);
sigpending函数读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。该函数调用成功返回0，出错返回-1。
实验一下：
- 先用上述的函数将2号信号进行屏蔽（阻塞）。
- 使用kill命令或组合按键向进程发送2号信号。
- 此时2号信号会一直被阻塞，并一直处于pending（未决）状态。
- 使用sigpending函数获取当前进程的pending信号集进行验证。
代码：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void PrintPending(const sigset_t& pending)
{
for (int signo = 1; signo <= 32; signo++)
{
if (sigismember(&pending, signo))
{
std::cout << "1";
}
else
{
std::cout << "0";
}
}
std::cout << "\n";
}
signed main()
{
sigset_t set, oset;
sigemptyset(&set);
sigemptyset(&oset);
//1. 阻塞2号信号
sigaddset(&set, 2); //SIGINT
sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oset);
//2. 让进程不断获取当前自己的pending位图
sigset_t pending;
sigemptyset(&pending);
while (1)
{
sigpending(&pending); //获取pending
PrintPending(pending); //打印pending位图（1表示未决）
sleep(1);
}
return 0;
}
可以看到，程序刚刚运行时，因为没有收到任何信号，所以此时该进程的pending表一直是全0，而当我们使用kill命令向该进程发送2号信号后，由于2号信号是阻塞的，进程收到但不处理2号信号，因此2号信号一直处于未决状态，所以我们看到pending表中的第二个数字一直是1，且进程不会退出：
问题：一个信号被递达，pending位图会将该信号的标志位从1改成0，这个修改发生在执行递达动作前还是递达动作执行完成后？
我们可以让进程自定义捕捉2号信号，让handler函数打印pending位图，就可以验证修改pending位图的动作的发生时机：#include \<iostream> #include <unistd.h> #include <signal.h> void PrintPending(const sigset_t& pending) { std::cout << "\n"; for (int signo = 1; signo <= 32; signo++) { if (sigismember(&pending, signo)) { std::cout << "1"; } else { std::cout << "0"; } } std::cout << "\n"; } void handler(int signo) { sigset_t pending; sigpending(&pending); PrintPending(pending); std::cout << "handler of signal " << signo << std::endl; } signed main() { signal(2, handler); while (true) { sleep(1); } return 0; }
实际上，键盘按下 Ctrl+C 之后，向当前进程发送2号信号，信号执行自定义的递达动作handler之前，OS已经将pending位图由1置0了。
四、信号捕捉
1. 信号捕捉的初步认识
自定义捕捉
实际上当用户按Ctrl+C时，这个键盘输入会产生一个硬件中断，被操作系统获取并解释成信号（Ctrl+C被解释成2号信号），然后操作系统将2号信号发送给目标前台进程，当前台进程收到2号信号后就会退出。
我们可以使用signal函数对2号信号进行捕捉，证明当我们按Ctrl+C时进程确实是收到了2号信号。使用signal函数时，我们需要传入两个参数，第一个是需要捕捉的信号编号，第二个是对捕捉信号的处理方法，该处理方法的参数是int，返回值是一个函数指针，指向原来的信号处理函数：
#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
例如，下面的代码中将2号信号进行了捕捉，当该进程运行起来后，若该进程收到了2号信号就会打印出收到信号的信号编号。
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
signal(2, handler); //信号是可以被自定义捕捉的，siganl函数就是来进行信号捕捉的，提前了解一下
while(1);
return 0;
}
总结思考
-
上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么？
因为OS是进程的管理者。 -
信号的处理是否是立即处理的？
不是所有信号的处理都是立即进行的，而是在合适的时候处理，“合适的时候”是指进程从内核态返回到用户态的时候。有些信号，例如SIGKILL，会立即终止进程。但对于其他信号，处理可能会延迟，具体取决于进程的状态以及是否被阻塞。 -
信号如果不是被立即处理，那么信号是否需要暂时被进程记录下来？记录在哪里最合适呢？
是的，如果信号不能立即处理，需要被暂时记录下来。这通常在进程的pending结构体中进行记录，其中包括一个位图用于表示未决信号的状态。 -
一个进程在没有收到信号的时候，能否知道自己应该对合法信号作何处理呢？
进程可以在收到信号之前，通过注册信号处理函数来定义对合法信号的处理方式。这通常通过使用signal()或sigaction()系统调用来实现。进程可以指定默认的处理动作，或者自定义处理函数。 -
如何理解OS向进程发送信号？能否描述一下完整的发送处理过程？
当发生触发信号的事件时（例如按下 Ctrl+C 产生SIGINT），操作系统会向相应进程发送信号。该信号会被记录在进程的pending位图中。如果信号不被阻塞，进程会根据信号的处理方式（默认动作、自定义处理函数等）来执行相应的处理。如果信号被阻塞，信号会在解除阻塞后递达，然后按照相应的处理方式进行处理。
2. 再谈进程地址空间
内核空间与用户空间
每一个进程都有自己的进程地址空间，该进程地址空间由内核空间和用户空间组成：
- 用户所写的代码和数据位于用户空间，通过用户级页表与物理内存之间建立映射关系。
- 内核空间存储的实际上是操作系统代码和数据，通过内核级页表与物理内存之间建立映射关系。内核级页表是一个全局的页表，它用来维护操作系统的代码与进程之间的关系。因此:
- 在每个进程的进程地址空间中，用户空间是属于当前进程的，每个进程看到的代码和数据是完全不同的，只能看到自己的那一份；
- 内核空间所存放的都是操作系统的代码和数据，所有进程看到的都是一样的内容，OS的代码和数据被所有内存共享。
虽然每个进程都能够看到操作系统，但并不意味着每个进程都能够随时对其进行访问，当进程访问用户空间时进程必须处于用户态，当进程访问内核空间时进程必须处于内核态。
用户态和内核态
用户态：执行用户所写的代码时，就属于 用户态
内核态：执行操作系统的代码时，就属于 内核态
从用户态切换为内核态通常有如下几种情况：
- 需要进行系统调用时。
- 当前进程的时间片到了，导致进程切换。
- 产生异常、中断、陷阱等。
与之相对应，从内核态切换为用户态有如下几种情况：
- 系统调用返回时。
- 进程切换完毕。
- 异常、中断、陷阱等处理完毕。
其中，由用户态切换为内核态我们称之为陷入内核。每当我们需要陷入内核的时，本质上是因为我们需要执行操作系统的代码，比如系统调用函数是由操作系统实现的，我们要进行系统调用就必须先由用户态切换为内核态。
陷入内核和切换回用户态的底层实现：
在
CPU中，存在一个CR3寄存器，这个 寄存器 的作用就是用来表征当前处于 用户态 还是 内核态
- 当寄存器中的值为
3时：表示正在执行用户的代码，也就是处于用户态- 当寄存器中的值为
0时：表示正在执行操作系统的代码，也就是处于 内核态
3. 内核如何实现信号的捕捉
当我们在执行主控制流程的时候，可能因为某些情况而陷入内核，当内核处理完毕准备返回用户态时，一定会进行信号pending表的检查。（此时仍处于内核态，有权力查看当前进程的pending位图）
在查看pending位图时，如果发现有未决信号，并且该信号没有被阻塞，那么此时就需要该信号进行处理，因为处理方式有默认和自定义两种情况，我们分情况讨论一下：
- 情况1：信号的默认处理（如果没有用
signal()或sigaction()来注册信号的自定义捕捉行为）
如果待处理信号的处理动作是默认或者忽略，则执行该信号的处理动作后清除对应的pending标志位，如果没有新的信号要递达，就直接返回用户态，从主控制流程中上次被中断的地方继续向下执行即可。
- 情况2：自定义捕捉（用户代码中用
signal()或sigaction()注册了信号的自定义捕捉行为）
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，这就是信号的捕捉。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。
上面两次从内核态回到用户态的过程中，都会检查pending表，因为要检查有没有需要处理的信号。
简化一下上面这张图：
4. sigaction函数
捕捉信号除了用前面用过的signal()函数之外，我们还可以使用sigaction()函数对信号进行捕捉，sigaction 比 signal 功能更丰富，sigaction()函数的函数原型如下：
NAME
sigaction - examine and change a signal action
SYNOPSIS
#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
sigaction结构体：
struct sigaction
{
void (*sa_handler)(int); //自定义动作
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //实时信号相关
sigset_t sa_mask; //待屏蔽的信号集
int sa_flags; //一些选项，一般设为 0
void (*sa_restorer)(void); //实时信号相关
};
返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并将错误码设置
参数1：待操作的信号
参数2：sigaction 结构体，具体成员如上所示
参数3：保存修改前进程的 sigaction 结构体信息
我们可以像使用signal()一样使用sigaction()：
#include <iostream>
#include <signal.h>
using namespace std;
void PrintPending(const sigset_t& pending)
{
std::cout << " 当前进程的 pending 表为: ";
for (int signo = 1; signo <= 32; signo++)
{
if (sigismember(&pending, signo))
{
std::cout << "1";
}
else
{
std::cout << "0";
}
}
std::cout << "\n";
}
void handler(int signo)
{
sigset_t pending;
sigpending(&pending);
while (true)
{
PrintPending(pending);
sleep(2);
}
}
int main()
{
cout << "当前进程的pid：" << getpid() << endl;
struct sigaction act, oact;
// 初始化自定义动作
act.sa_handler = handler;
// 给2号信号注册自定义动作
sigaction(2, &act, &oact);
while (true);
return 0;
}
只对二号信号进行了自定义捕捉，收到二号信号后不断打印pending位图，此时发别的信号依然能正常终止该进程，运行现象和用signal()一样：
但是如果设置了sa_mask字段，则当进程递达信号并执行用户自定义动作handler时，可以将部分信号进行屏蔽，直到用户自定义动作执行完成。
加入对3，4，5信号的屏蔽：
//初始化 屏蔽信号集
sigaddset(&act.sa_mask, 3);
sigaddset(&act.sa_mask, 4);
sigaddset(&act.sa_mask, 5);
完整代码：
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <assert.h>
using namespace std;
void PrintPending(const sigset_t& pending)
{
std::cout << " 当前进程的 pending 表为: ";
for (int signo = 1; signo <= 32; signo++)
{
if (sigismember(&pending, signo))
{
std::cout << "1";
}
else
{
std::cout << "0";
}
}
std::cout << "\n";
}
void handler(int signo)
{
cout << signo << "号信号递达了" << endl;
sigset_t pending;
int cnt = 15;
while (cnt--)
{
int ret = sigpending(&pending);
assert(ret == 0);
(void)ret; // 假装用一下ret，欺骗编译器，避免 release 模式中出错
PrintPending(pending);
sleep(1);
}
}
int main()
{
cout << "当前进程的pid：" << getpid() << endl;
struct sigaction act, oact;
// 初始化 自定义动作
act.sa_handler = handler;
//初始化 屏蔽信号集
sigaddset(&act.sa_mask, 3);
sigaddset(&act.sa_mask, 4);
sigaddset(&act.sa_mask, 5);
// 给2号信号注册自定义动作
sigaction(2, &act, &oact);
while (true);
return 0;
}
当 2 号信号的循环结束（10 秒），3、4、5 信号的 阻塞 状态解除，立即被 递达，进程就被干掉了：
五、信号部分的总结
信号的知识按照：
的顺序展开：
- 信号产生阶段：有四种产生方式，包括 键盘键入、系统调用、软件条件、硬件异常。
- 信号保存阶段：内核中存在三张表，
blcok表、pending表以及handler表，信号在产生之后，存储在pending表中。 - 信号处理阶段：信号在 内核态 切换回 用户态 时，才会被处理，处理方式或默认或忽略或自定义。
