一、信号保存

1.1 信号相关的概念名词

1.2 在内核中的表示

1.3 sigset_t与操作函数

1.4 信号设定

二、信号处理

2.1 内核空间与用户空间

2.2 内核态和用户态

2.3 信号的捕捉流程

2.4 sigaction 函数

三、可重入函数

四、volatile

五、SIGCHLD信号

一、信号保存

1.1 信号相关的概念名词

当信号产生时，信号的处理可选操作有：1.忽略；2.默认处理；3.自定义处理。

而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，只要信号被则阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

1.2 在内核中的表示

在内核中，信号的产生、处理与下面两张位图和一个函数指针数组有关，示意图如下：

block 和 pending 位图就表示着信号状态，接下来我们就来分析这些结构存在的意义以及相应的信号处理动作。

pending 位图

该位图称为 pending 信号集

用映射的比特位位置来表示对应的信号编号，用0和1来表示是否收到信号。
OS就是通过修改pending表中对应的比特位来进行信号的发送。

block 位图

block 位图称之为阻塞信号集，也称为当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的屏蔽应理解为阻塞。

block 位图与peding相同，位图中的内容代表的含义是对应的信号是否被阻塞。

handler 数组

handler 数组被称为 handler 处理方法表。

handler 本质就是一个函数指针数组，其中存放着对应信号的默认处理函数。当 pending 位图中某个比特位被修改时，就会去对应的 handler 数组调用该函数进行信号的处理。

所以，signal函数的本质:

根据信号编号将数组下标处的处理函数换为我们自定义的函数。示意图如下：

而其中这些SIG_DEL、SIG_IGN是用于让OS进行信号判断的，确定接下来的处理动作。

(typedef void (*__sighandler_t) (int)，__sighandler_t 被声明定义为函数指针)

步骤如下：

一个信号被处理，是怎样的一个处理过程呢？

发送信号：本质就是OS修改 pending 位图。
处理信号：检测 pending 位图是否有信号产生，再检查block位图判断该信号是否被阻塞，阻塞则不处理该信号；如果没有被阻塞再去对应的 handler 数组中判断是哪种处理方式，然后进行处理。

1.3 sigset_t与操作函数

是操作系统为我们提供的一种位图结构。

sigset_t位图只能通过系统调用接口进行操作，不允许用户自己的接口进行操作。

sigset的接口与普通位图操作非常相似，常用接口如下：

#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);

函数解释：

sigemptyset函数：初始化 set 所指向的信号集，使其中所有信号对应的比特位清零，表示该信号不包含任何有效信息。
sigfillset函数：初始化 set 所指向的信号集，使其中所有信号对饮的比特位置1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
siaddset函数：在 set 所指向的信号集中添加某种有效信号。
sigdelset函数：在 set 所指向的信号集中删除某种有效信号。
sigismember函数：判断 set 所指向的信号集中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0，调用返回-1；

以上是 signet_t 的操作接口，那signet_t 能完成什么功能呢？

接下来我们再来学习一些接口：

sigpending 接口：

功能：

获取当前进程的 pending 信号集。即可以拿到内核中的pending位图

返回值：

成功返回0，失败返回-1，错误码被设置。

sigprocmask 接口：

功能：

检测并更改当前进程的 block信号集。

参数1： (进行以下哪种操作)

参数2：

参与操作的位图，与参数1搭配使用

参数3：

是一个输出型参数，返回修改前的位图结构，用于记录保存，不需要可以设为 NULL 。

返回值：

成功返回0，失败返回-1，错误码被设置。

1.4 信号设定

有了上面的一系列接口，我们可以就可以实现一些信号相关的问题：

如果我们对所有的信号都进行了自定义捕捉，那这个进程是不是就不能被任何信号终止？可以实现吗？结果如何？
如果将2号信号block，并且不断获取当前进程的pending信号集；此时我们突然发送2号信号，可以看到pending信号集中有一个比特位由0变为1吗？
如果对所有的信号进行block，那这个进程是不是就不能被任何信号终止？可以实现吗？结果如何？

关于问题一的代码：

void catchSig(int signum)
{
    cout << "捕捉到一个信号" << signum << endl;
}

int main()
{
    // 对所有信号进行自定义捕捉
    for (int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        signal(i, catchSig);
    }
    while (1)
        sleep(1);
    return 0;
}

结果如下：

结论：

无法实现不受信号的控制的进程，虽然我们尝试设定了所有信号的自定义捕捉方式，但是9号信号是管理员信号，无法进行自定义捕捉，所以该假设无法实现。

问题二：

int main()
{
    // 1.定义信号集
    sigset_t bset, obset, pending;
    // 2.初始化
    sigemptyset(&bset);
    sigemptyset(&obset);
    // 3.添加要进行屏蔽的信号---屏蔽2号信号
    sigaddset(&bset, 2);
    // 4.设置set到内核对应的block信号集中,(默认情况进程不会对任何信号进行block)
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, &obset);
    // 5.重复打印当前进程的pending 信号集
    while (1)
    {
        // 初始化pending位图
        sigemptyset(&pending);
        // 将当前进程的pending信号集放置到pending位图中
        sigpending(&pending);
        // 打印pending位图.
        for (int sig = 1; sig <= 31; sig++)
        {
            // 如果该位是1，则打印1，反之亦然
            if (sigismember(&pending, sig))
                cout << "1";
            else
                cout << "0";
        }
        cout << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

打印结果：

结论：

可以看到比特位由0置1，因为pending位图就是信号的记录位图，而我们使用系统调用接口实时地打印pengding位图的情况，就可以看到2号信号比特位由0置1。

问题三：

将所有信号都block，能实现不受信号控制的进程吗？

void blockSig(int sig)
{
    sigset_t bset;
    sigemptyset(&bset);
    sigaddset(&bset, sig);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, nullptr);
}

int main()
{
    // block所有信号
    for (int sig = 1; sig <= 31; sig++)
    {
        blockSig(sig);
    }
    // 打印block信号表
    sigset_t pending;
    while (1)
    {
        sigpending(&pending);
        for (int sig = 1; sig <= 31; sig++)
        {
            // 如果该位是1，则打印1，反之亦然
            if (sigismember(&pending, sig))
                cout << "1";
            else
                cout << "0";
        }
        cout << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

一个简单获取进程pid的命令：pidof + 进程名

接下来我们再写一个脚本，让脚本帮助我们发送1-32号信号

i=1; id=$(pidof mysignal); while [ $i -le 31 ] ; do kill -$i $id; echo "send signal $i" ; let i++; sleep 1; done

运行结果如下: (9号信号仍然不受影响)

接下来再写一段脚本，跳过发送9号信号。

i=1
id=$(pidof mysignal)
while [ $i -le 31 ] 
do 
    if [ $i -eq 9 ];then
        let i++
        continue
    fi
    kill -$i $id
    echo "kill -$i $id"
    let i++
    sleep 1
 done

运行结果如下：

一个小现象是：19号和20号都是和暂停相关的信号，也是不允许阻塞的。

二、信号处理

2.1 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构成：

用户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。
操作系统代码和数据存储在内核空间，通过内核级页表与物理内存之间建立映射关系。

其中，内核级页表是一个全局页表，它是用来维护操作系统的代码和进程之间的关系的。

因此，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。

每个进程都能看到内核空间，但并不意味着每个进程都能随时对其进行访问。

那如何理解进程切换呢？

在当进程的进程地址空间中的内核空间，找到OS的代码和数据。
执行OS的代码，将当前进程的代码和数据剥离下来，并换上另一个进程的代码和数据。

当访问用户空间时处于用户态，而当你访问内核空间时必须处于内核态。

2.2 内核态和用户态

内核态与用户态：

内核态通常用来执行操作系统的代码，是一种权限非常高的状态。
用户态是一种用来执行普通用户代码的状态，是一种受监管的普通状态。

进程收到信号后，并不是立即处理信号，而是在合适的时候，进行信号的处理。

这个合适的时候就是指从内核态切换回用户态的时候。

内核态和用户态之间是如何进行切换的?

从用户态切换为内核态通常有以下几种情况：

需要进行系统调用时。
当进程进行时间片轮转时，导致进程切换进入内核态。
产生异常、中断、陷阱等情况时。

从内核态切换为用户态通常有以下几种情况：

系统调用结束返回。
进程切换完毕。
异常、中断、陷阱处理完毕。

2.3 信号的捕捉流程

信号的捕捉流程其实可以被分为两种：

一种是系统直接执行默认或忽略动作；
另一种是执行我们的自定义动作；

默认处理或忽略处理时：

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楚对应的pending标志位，如果没有新的信号进行递达，则直接返回用户态，从主控制流程中上次被中断的地方继续向下执行。

执行自定义动作：

如果待处理的信号是自定义捕捉的，即该信号的处理动作是用户提供的，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 sigretur 再次陷入内核并清除对应的 pending 位图标志位，如果没有新的信号要递达，就直接返回用户态，继续执行主流程的代码。

注意：

sighandler 和 main 函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用与被调用的关系，是两个独立了的控制流程。

通俗理解自定义捕捉流程与结论总结：

结论：

其中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，圆形中间的圆点就代表着检查 pending 位图表。

此时引入一个问题：

当识别到信号的处理动作是自定义时，能直接在内核态直接执行用户空间的代码吗？

理论上是可以的，因为内核态是一种权限非常高的状态，但是绝对不能这样设计。
如果允许内核态直接执行用户空间的代码，那么用户就可以在代码中设计一些非法操作，比如清空数据等，虽然用户态没有足够的权限做到清空数据，但是内核态有足够的权限能执行此类代码。
所以为了防止此类操作，操作系统不会在内核态下执行用户代码。因为操作系统无法保证用户的代码是合法代码，即操作系统不信任用户的行为。

2.4 sigaction 函数

捕捉信号除了前面用过的 signal 函数之外，我们还可以使用 sigaction 函数对信号进行捕捉：

功能：

检查并更改信号的处理动作。简而言之就是捕捉信号

参数：

参数1：要自定义的信号编号，传入宏或信号编号。

参数2：输入型参数，传入信号的新处理方法。

参数3：输出型参数，返回信号旧的处理方法。

返回值:

成功返回0，失败返回-1，并设置错误码。

sigaciton 结构体：

成员1 (sa_handler)：

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。

即回调函数，传入我们自定义的信号处理函数即可，例act.sa_handler=handler(handler是一个函数)。

成员2 (sa_sigaction):

实时信号的处理函数接口，因为暂时不处理实时信号，不用设置~

成员3 (sa_mask)：

是一个sigset_t(系统位图)结构，直接使用sigemptyset(&act.sa_mask)清空即可。

成员4 (sa_flags)：

与实时信号相关，暂时无关，设置为0即可。

成员5 (sa_restorer):

暂时不用设置~

接下来我们使用一下 sigaction 函数，目的如下：

使用 sigaction 捕捉2号信号，并查看handler数组中的处理动作是什么：

void handler(int signum)
{
    cout << "获取了一个信号" << signum << endl;
}
int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    //设置自定义信号处理函数
    act.sa_handler = handler;
    // 设置进当前进程的pcb中
    sigaction(2, &act, &oact);
    cout << "default action " << (int)(oact.sa_handler) << endl;
    while (1)
        sleep(1);
    return 0;
}

运行结果：

block位图的意义：

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号对应的 block 位图比特位置为1，表示阻塞，当信号处理函数返回时自动恢复原来的bloc位图状态，这样就保证了在处理莫格信号时，如果这个信号再次发生，那么它就会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，还系统自动屏蔽另外一些信号，就可以使用 sigaciton 结构体中的 sa_mask 字段进行设置额外屏蔽的信号，则当一个信号发生时，这些被添加的信号再发生时，对应 block 位图的会被设置为1，而当信号处理函数返回时会自动恢复原来的状态，这便是sa_mask字段的作用以及block位图的意义。

接下来有一段代码可以验证sa_mask的作用：

设置了2号信号的自定义函数，并将sa_maks中设置3、4、5、6、7信号。

即，2号信号产生时，3、4、5、6、7信号的 block 位图被置1，通过打印pending位图，即使3、4、5、6、7号信号发生，这些信号也不会被处理。

代码如下：

// block位图的意义：
void showPending(sigset_t *pending)
{
    for (int sig = 1; sig <= 31; sig++)
    {
        if (sigismember(pending, sig))
            cout << "1";
        else
            cout << "0";
    }
    cout << endl;
}

void handler(int signum)
{
    cout << "获取了一个信号： " << signum << endl;
    cout << "获取了一个信号： " << signum << endl;
    cout << "获取了一个信号： " << signum << endl;
    cout << "获取了一个信号： " << signum << endl;

    sigset_t pending;
    int c = 20;
    while (true)
    {
        // 获取pending位图并打印
        sigpending(&pending);
        showPending(&pending);
        c--;
        if (!c)
            break;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    cout << "getpid: " << getpid() << endl;
    // 内核数据类型，用户栈定义的
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    // 设置自定义函数
    act.sa_handler = handler;

    // sa_maks中设置3、4、5、6、7信号，即2号信号发生会阻塞这些信号
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaddset(&act.sa_mask, 4);
    sigaddset(&act.sa_mask, 5);
    sigaddset(&act.sa_mask, 6);
    sigaddset(&act.sa_mask, 7);

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

    cout << "default action : " << (int)(oact.sa_handler) << endl;
    while (true)
        sleep(1);
    return 0;
}

结果：

注意，信号捕捉，并没有创建新的进程或线程。

三、可重入函数

一个函数在一个时间段内被多个执行流重复进入，这种情况就叫做重入函数；

而重入时没有发生问题的叫可重入函数，会发生问题的叫做不可重入函数。可重入和不可重入是函数的一种特征，我们大部分编写的函数都是不可重入函数。

那什么特征的函数是不可重入函数？

调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
调用了标志I/O库函数，因为标准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。
比如函数用了全局数据， errno 错误码就是一个全局变量，大部分函数不可重入函数。

举一个链表结点的插入例子来形象理解可重入/不可重入：

如果是一个执行流该代码不会有什么问题，如果是一段时间被多个执行流反复跳转，则下面这个普通的链表插入结点都会产生错误。

四、volatile

volatile是C语言的一个关键字，该关键字的作用是保持内存的可见性。

首先我们写一段代码进行引入。

因为flag==0，所以main函数处于死循环状态，我们自定义设置2号信号的处理函数，当2号信号产生时我们将flag置为1，则主函数跳出死循环。

int flag = 0;
void changFlag(int signum)
{
    cout << "change flag:" << flag;
    flag = 1;
    cout << "->" << flag << endl;
}
int main()
{
    signal(2, changFlag);
    while (!flag)
        ;
    cout << "进程正常退出:" << flag << endl;
    return 0;
}

我们使用的g++，有不同级别的优化选项：

接下来我们不使用默认的优化策略，设置优化选项为-O3，结果如下：

发现，使用Ctrl+C发送2号信号无法终止该进程。

必然是优化选项对flag做了特殊处理，导致该代码收到2号信号后仍无法终止。

原因如下：

因为我们对 flag 的频繁访问，编译器将flag放入了寄存器中。正常的优化是：需要检测flag时去内存中将其读入寄存器然后进行检测，而2号信号产生时，改动了内存中！的flag，而寄存器中的flag没有被改动，所以检测时一直检测的寄存器中的flag，所以该死循环无法被终止。

总结一句话是，cpu无法看到内存中的flag了。

所以我们要使用关键字volatile显性地告诉编译器，不要将一些变量放入寄存器中，保持内存的可见性。

现在我们使用volatile修饰flag，再观察结果：

那这个优化是在编译时进行的还是执行时进行优化的呢？

编译时进行优化的，因为编译后，gcc让CPU将flag放入寄存器中，这个举动是在编译后就确定了，只不过是运行时才能体现出效果。

五、SIGCHLD信号

子进程暂停或退出时会主动向父进程发送SIGCHLD(17号)信号。而父进程对17号信号的默认处理动作是忽略。

为了避免出现僵尸进程，父进程需要使用wait或waitpid函数等待子进程结束，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询的是否有子进程结束等待清理，即轮询的方式。采用第一种方式，父进程阻塞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生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信号的处理动作，这样父进程就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或waitpid函数清理子进程即可。

首先我们写一段代码验证一下子进程退出是否会给父进程发送17号信号：

//子进程退出会向父进程发送信号
void handler(int signum)
{
    cout << "子进程退出" << signum << endl;
}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    if (fork() == 0)
    {
        sleep(1);
        exit(0);
    }
    while (1)
    {
        sleep(1);
    }
}

SIGCHLD与waitpid使用场景：

那我们可以在捕捉信号中可以进行子进程的等待wait 操作。那接下来，父进程下有10个子进程，

比如同时有5个子进程退出，位图中只有一个比特位记录退出的情况，而不会记录退出的子进程个数，所以我们要进行遍历检查10个子进程是否有退出的情况，而此时我们不能使用阻塞式等待，因为如果有一个子进程没有退出，那父进程就一直阻塞等待该进程退出了。

所以我们要使用while遍历所有的子进程，并使用waitpid采取非阻塞的方式进行等待。这样只要有子进程退出，父进程就会将该子进程回收，并且父进程自身不会阻塞。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int signo)
{
	printf("get a signal: %d\n", signo);
	int ret = 0;
	while ((ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0){
		printf("wait child %d success\n", ret);
	}
}
int main()
{
	signal(SIGCHLD, handler);
	if (fork() == 0){
		//child
		printf("child is running, begin dead: %d\n", getpid());
		sleep(3);
		exit(1);
	}
	//father
	while (1);
	return 0;
}

接下来我们会设置一下对SIGCHLD的忽略动作，我们实现的忽略动作是用户层的，而默认的忽略是系统层的，两者会有一些区别。

子进程退出会对父进程发送信号，然后父进程执行默认的忽略。所以我们设置当子进程退出时，捕捉该信号，然后对子进程进行回收，

观察操作系统的忽略动作和用户层设定的忽略动作有何不同：

// 系统默认忽略动作：
int main()
{
    if (fork() == 0)
    {
        cout << "child:" << getpid() << endl;
        sleep(5);
        exit(0);
    }
    while (1)
    {
        cout << "parent:" << getpid() << "father process:执行任务......" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

脚本监视代码：

while :; do ps ajx | head -1 && ps axj | grep SIGCHLD | grep -v grep ; sleep 1; echo "--------------------------------"; done

操作系统默认的忽略动作现象(子进程处于僵尸状态)：

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signal或sigaction函数将SIGCHLD信号的处理动作设置为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signal或sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的，但这是一个特列。此方法对于Linux可用，但不保证在其他UNIX系统上都可用。

接下来就是我们设置当SIGCHLD信号产生时对SIGCHLD进行忽略(代码)：