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1.信号如何被保存？

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称为信号未决(Pending)
• 进程可以选择阻塞(Block)某个信号
  • 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
• 一个信号被处理，是怎样的一个处理过程？
  • pending --> block --> handler

2.信号在内核中的表示

• 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?
  • 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
    • 实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里

3.sigset_t – 本质是个位图

• 未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来表示，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
  • 每个信号用一个bit来表示状态，非0即1，不记录该信号产生了多少次
  • 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

4.信号集操作函数

sigset_t：

• 不允许用户自己进行位操作，OS提供了对应的操作位图的方法
• 用户可以直接使用该类型，就像使用内置类型和自定义类型一样
• 一定需要对应的系统接口，来完成对应的功能，其中系统接口需要的参数，可能就包含了sigset_t变量/对象

函数	功能
int sigemptyset(sigset_t *set);	初始化set指向的信号集，将所有信号的对应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指向的信号集，将所有信号的对应bit置位，表示该信号集包含系统的所有信号
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);	在对应信号集中添加某种有效信号
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);	在对应信号集中删除某种有效信号
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);	判断信号集的有效信号中是否包含某种信号，包含返回1，不包含返回0，出错返回-1

• 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
• 前四个函数都是成功返回0，出错返回-1

sigprocmask()

• **功能：**读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)
• **原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t set, sigset_t oset);
• 参数：
  • set**：**若set是非空指针，则更改进程的信号屏蔽字,
  • oset**：**若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
    • 若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
  • how**：**指示如何更改信号屏蔽字，假设当前的信号屏蔽字为mask

SIG_BLOCK	set包含了希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask=mask|set
SIG_UNBLOCK	set包含了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

• **返回值：**成功返回0，失败返回-1
• 注意：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

sigpending()

• 功能：读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出
• *原型：int sigpending(sigset_t set);

5.思考

• 貌似没有一个接口用来设置pending位图？
  • 所有的信号发送方式，都是修改pending位图的过程
• 如果对所有的信号都进行了自定义捕捉，是不是就写了一个不会被异常或者用户杀掉的进程？
  • 并不能，9号信号无法被捕获
• 如果对所有的信号都进行block，是不是就写了一个不会被异常或者用户杀掉的进程？
  • 并不能，9号信物无法被屏蔽

6.使用

void showPending(sigset_t &set)
{
    for (int sig = 1; sig <= 31; sig++)
    {
        if(sigismember(&set, sig))
        {
            cout << "1";
        }
        else
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    signal(2, catchSig);

    // 1.定义信号集对象
    sigset_t bset, obset;
    sigset_t pending;

    // 2.初始化
    sigemptyset(&bset);
    sigemptyset(&obset);
    sigemptyset(&pending);

    // 3.添加要进行屏蔽的信号
    sigaddset(&bset, 2);

    // 4.设置set到内核中对应的进程内部
    int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, &obset);
    assert(n == 0);
    (void)n; // release下，assert失效，为了方式未使用变量警告，作此处理
    cout << "block 2号信号成功... PID: " << getpid() << endl;

    // 5.重复打印当前进程的pending信号集
    int count = 0;
    while(true)
    {
        // 5.1获取当前进程的pending信号集
        sigpending(&pending);
        // 5.2显示pending信号集中没有被递达的信号
        showPending(pending);
        sleep(1);
        count++;
        if (count == 10)
        {
            cout << "解除对2号信号的block" << endl;
            int n = sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &bset, nullptr);
            assert(n == 0);
            (void)n;
        }
    }

    return 0;
}

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2.信号处理

0.内核态和用户态

• **内核态：**OS执行自己代码和数据的一个状态，具备非常高的优先级
• **用户态：**用户代码和数据被访问或者执行的时候，所处的状态，是一个受管控的状态
• **主要区别：**权限大小，内核态权限远远大于用户态
• 为什么会进入内核态？
  • 用户进行系统调用
  • 遇到缺陷、陷阱、异常等

1.内核空间和用户空间

• 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OS的代码和数据，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，每个进程都能看到，它用来维护OS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
  • 但内核空间所存放的都是OS的代码和数据，所有进程看到的都是一样的内容
• 进程无论如何切换，都能看到OS，但是不一定能访问
• 进程之间无论如何切换，都能找到同一个OS，因为我们每个进程都有3~4G的地址空间，用的是同一张内核级页表，因此访问的都是同一个OS
• OS可以在进程的上下文中直接运行，因为OS代码已经被映射到地址空间3~4G中
• 系统调用就是进程的身份切换到内核态，根据内核页表找到系统函数，执行
  

2.信号何时被处理？

• 信号相关的数据字段都是在进程PCB内部的，属于内核范畴
  • 所以要检测信号，一定要在内核状态才有权限去做
• 进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号检测与信号的处理

3.信号捕捉 – 信号如何被处理？

• 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，就需要进行信号pending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，那么此时就需要对信号进行处理。

  • 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。
  • 但如果待处理信号是自定义捕捉的，即该信号的处理动作是由用户提供的，那么处理该信号时就需要先返回用户态执行对应的自定义处理动作，执行完后再通过特殊的系统调用sigreturn再次陷入内核并清除对应的pending标志位，如果没有新的信号要递达，就直接返回用户态，继续执行主控制流程的代码

• 无穷大记忆法

  • 该图形与直线有几个交点就代表在这期间有几次状态切换，而箭头的方向就代表着此次状态切换的方向
  • 图形中间的圆点就代表着检查pending表
    

• 为什么执行自定义处理函数要从内核态 --> 用户态？不切换也可以执行，但是为什么要切换呢？

  • 首先明确：内核态有权利执行用户态的代码，但OS不相信任何人
  • 假如允许这么做，若sighandler()中有一些非法动作，如rm、scp等操作，如果内核态做了，就会对OS造成伤害
  • 不能让OS直接去执行用户的代码，因为OS无法保证用户的代码是合法代码

4.sigaction()

• **功能：捕捉信号，**读取和修改与指定信号相关联的处理动作

• 原型：int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

• 参数：

  • **signo：**指定信号的编号
  • **act：**输入型参数，根据act修改该信号的处理动作
  • **oact：**输出型参数，通过oact传出该信号原来的处理动作

• **返回值：**成功返回0，出错则返回- 1

• act和oact指向sigaction结构体:

  • 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,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
  • sa_mask**：指定一个信号集(sigset_t)，用于在信号处理函数执行期间阻止其他信号的传递**
  • 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
    

• 使用

int main()
{
    // 内核数据类型
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_handler = catchSig;

    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaddset(&act.sa_mask, 4);
    sigaddset(&act.sa_mask, 5);

    // 设置进当前调用进程的PCB中
    sigaction(2, &act, &oact);
    
    return 0;
}

5.思考

• 处理信号的时候，执行自定义动作，如果在处理信号期间，又来了同样的信号，OS如何处理？
  • 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，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

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3.补充内容

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：**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，则称为可重入(Reentrant)函数
• 如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的
  • 调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的
  • 调用了标准I/O库函数 --> 标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
    

2.SIGCHLD

• 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

  • 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
  • 这样父进程只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了
  • 注意：
    • SIGCHLD属于普通信号，记录该信号的pending位只有一个，如果在同一时刻有多个子进程同时退出，那么在handler函数当中实际上只清理了一个子进程，这样的话其他子进程就没有回收，因此在使用waitpid函数清理子进程时需要使用while不断进行清理回收
    • 使用waitpid函数时，需要设置WNOHANG选项，即非阻塞式等待，否则当所有子进程都已经清理完毕时，由于while循环，会再次调用waitpid函数，此时就会在这里阻塞住, 导致程序在handler这里回不来
    • 只要waitpid失败了就证明把所有子进程都回收完了，然后再继续运行父进程

• 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

    • 即：SIGCHLD默认忽略和用户设置忽略是有区别的

  • 此方法对于Linux可用，但不保证在其它UNIX系统上都可用