Linux 10：进程信号

信号示例：

用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程：

用户按[Ctrl+C]，这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程。
前台进程因为收到信号，进而引起进程退出。

注意：

Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行，这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。
Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程,只有前台进程才能接到像[Ctrl+C]这种控制键产生的信号。
前台进程在运行过程中用户随时可能按下[Ctrl+C]而产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到 SIGINT 信号而终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步(Asynchronous)的。

1. 信号概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

2. 查看系统定义的信号列表

kill -l

每个信号都有一个编号和一个宏定义名称，这些宏定义可以在signal.h中找到，例如其中有定义 #define SIGINT 2
编号34以上的是实时信号，本章只讨论编号34以下的信号，不讨论实时信号。这些信号各自在什么条件下产生，默认的处理动作是什么，在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal

3. 信号处理常见方式概览

忽略此信号。
执行该信号的默认处理动作。
提供一个信号处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉(Catch)一个信号。

4. 产生信号

4-1. 通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程，SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump，现在我们来验证一下。

Core Dump
首先解释什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core，这叫做Core Dump。进程异常终止通常是因为有Bug，比如非法内存访问导致段错误，事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因，这叫做Post-mortem Debug（事后调试）。一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存在PCB中)。默认是不允许产生core文件的，因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息，不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制，允许产生core文件。首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit，允许core文件最大为1024K: $ ulimit -c 1024

编写一个死循环程序

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(){
    while(1){
        printf("pid:%d\n",getpid());
        sleep(2);//防止信息刷屏
    }
    return 0;
}

前台运行这个程序，然后在终端键入[Ctrl+C]或[Ctrl+\]：

输入Ctrl+\后，前台程序被终止，并显示core dumped

在查看当前文件夹，会发现多了一个文件：

ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit，test进程的PCB由Shell进程复制而来，所以也具有和Shell进程相同的Resource Limit值，这样就可以产生Core Dump了。使用core文件：

4-2. 调用系统函数向进程发信号

首先在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号：

6511是test进程的id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault，是因为在4568进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令，Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起,所以等用户输入命令之后才显示。
指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法，上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 6511或 kill -11 6511，11是信号SIGSEGV的编号。以往遇到的段错误都是由非法内存访问产生的，而这个程序本身没错，给它发SIGSEGV也能产生段错误。

kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。raise函数可以给当前进程发送指定的信号（自己给自己发信号）。

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int signo);

int raise(int signo);

这两个函数都是成功返回0,错误返回-1。

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止

#include <stdlib.h>

void abort(void);

就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。

4-3. 由软件条件产生信号

主要介绍alarm函数和SIGALRM信号。

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方，某人要小睡一觉，设定闹钟为30分钟之后响，20分钟后被人吵醒了，还想多睡一会儿，于是重新设定闹钟为15分钟之后响，“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0，表示取消以前设定的闹钟，函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。

4-4. 硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令，CPU的运算单元会产生异常，内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址，MMU会产生异常，内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

5. 信号捕捉

下面给两段代码给大家尝试理解一下：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
    printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
    signal(2, handler); //前文提到过，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
    while(1);
    return 0;
}

2号信号SIGINT，就是平常我们[Ctrl+C]所处发的信号。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
    printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
    //signal(SIGSEGV, handler);//放开这段代码，再运行查看一下结果
    sleep(1);
    int *p = NULL;
    *p = 100;    //会触发段错误
    while(1);
    return 0;
}

由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。

6. 阻塞信号

6-1. 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。

6-2. 在内核中的表示

信号在内核中的表示示意图：

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？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，而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。

6-3. sigset_t

从上图来看，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。因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储，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，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。下一节将详细介绍信号集的各种操作。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。

6-4. 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。

#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);

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种信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

函数sigemptyset初始化set所指向的信号集，使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。
函数sigfillset初始化set所指向的信号集，使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。
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。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。

6-4-1. 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

如果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。如果set是非空指针，则更改进程的信号屏蔽字，参数how指示如何更改。如果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。假设当前的信号屏蔽字为mask，下表说明了how参数的可选值。

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

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。

6-4-2. sigpending

#include <signal.h>

int sigpending(sigset_t *set);

读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。

下面用刚学的几个函数做个实验。程序如下:

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void printsigset(sigset_t *set){
    int i=0;
    for(;i<32;i++){
        if(sigismember(set,i)){
            putchar('1');
        }else{
            putchar('0');
        }
    }
    puts("");
}
int main(){
    sigset_t s,p;
    sigemptyset(&s);
    sigaddset(&s,SIGINT);
    sigprocmask(SIG_BLOCK,&s,NULL);
    while(1){
        sigpending(&p);
        printsigset(&p);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

程序运行时，每秒钟把各信号的未决状态打印一遍，由于我们阻塞了SIGINT信号，按[Ctrl+C]将会使SIGINT信号处于未决状态，按[Ctrl+\]仍然可以终止程序，因为SIGQUIT信号没有阻塞。

7. 捕捉信号

7-1. 内核如何实现信号的捕捉.

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，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：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。

7-2. sigaction

#include <signal.h>

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

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回-1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体：

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，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。

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，当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。 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，本章不详细解释这两个字段，有兴趣可以再了解一下。

8. 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。结果是，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。想一下，为什么两个不同的控制流程调用同一个函数，访问它的同一个局部变量或参数就不会造成错乱。

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。

9. volatile

该关键字在C当中我们已经有所涉猎，今天我们站在信号的角度重新理解一下：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int flag = 0;
void handler(int sig)
{
    printf("chage flag 0 to 1\n");
    flag = 1;
}
int main()
{
    signal(2, handler);
    while(!flag);
    printf("process quit normal\n");
    return 0;
}

标准情况下，键入[Ctrl+C]，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改flag＝1，while条件不满足，退出循环，进程退出。

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但是在编译时带上编译器优化后我们再看执行结果：

结果不像我们想的那样。优化情况下，键入[Ctrl+C]，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改flag＝1，但是while条件依旧满足，进程继续运行！但是很明显flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显， while循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。while检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要 volatile。
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#include <stdio.h>
#include <signal.h>
volatile int flag = 0;
void handler(int sig)
{
    printf("chage flag 0 to 1\n");
    flag = 1;
}
int main()
{
    signal(2, handler);
    while(!flag);
    printf("process quit normal\n");
    return 0;
}