【Linux】进程信号 --- 信号保存

news2024/11/26 3:36:30

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目录

  • 一、再次认识信号
      • 1.1 为什么要进行信号保存
      • 1.2 信号如何被保存
      • 1.3 信号其他相关常见概念
  • 二、在内核中的表示
  • 三、操作系统中位图的数据类型
      • 3.1 sigset_t --- 信号集类型
      • 3.2 信号集操作函数
  • 四、系统调用接口 --- sigprocmask
  • 五、系统调用接口 --- sigpending
  • 六、总结
  • 七、相关代码

一、再次认识信号

1.1 为什么要进行信号保存

在入门篇提到过：进程收到信号之后，可能不会立即被处理，因为进程可能正在做重要的事，需要等到合适的时间再处理。就比方说：你收到外卖小哥的外卖到了的提醒消息（进程收到信号），但你正在打LOL（更重要的事），晚点下去拿（保存信号），当打完之后再下去（处理信号）。因此，从信号产生到信号处理这段期间，需要将信号保存起来，那如何保存呢？位图！（具体看1.2）

  • 对于普通信号，它用的是位图，只要收到就会先保存，但是如果这个信号还没处理，又来个信号，那么就只记得最近一次的信号。
  • 而对于实时信号。只要发送了，就要立即处理，哪怕此时进程在忙。它的用的是队列。
  • 关于进程信号，我们重点关心普通信号即可。

1.2 信号如何被保存

信号列表

对应的1~31号信号我们称为普通信号，是不是一个 int整型（32bit） 就足以表示所有普通信号的产生信息了。

对于普通的信号处理而言，进程主要关心自己是否有信号以及收到了哪个具体的信号。并且，这个信号是由操作系统发送给进程的进程控制块（task_struct）。所以结构体task_struct内一定维护类似于int signal字段。

如果给进程发的是一号信号，那么则将bit位的第一位给置为1（注意这里有第0位，表示没有收到信号），后面以此类推。所以描述一个信号，用比特位的位置来表示，即 普通信号是用位图来管理信号。

总结：

  1. 比特位的内容是0还是1，表明是否收到信号。
  2. 比特位的位置（第几个），表示信号的编号。
  3. 所谓的“发信号”，本质就是操作系统（管理者）去修改task_struct的信号位图对应的比特位。也就是写信号。

说明：在后面我们会说，信号是被保存在pending表中的。

1.3 信号其他相关常见概念

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  • 信号产生（Produce）：由四种不同的方式发出信号。（详情见）
  • 信号未决（Pending）：信号从产生到处理的中间状态。（信号保存）
  • 信号递达（Delivery）：进程收到信号后，对信号的处理动作。（信号处理）

除此之外，进程还允许阻塞（屏蔽）某些信号，我们称之为 信号阻塞。这意味着进程暂时不接收阻塞的信号，使其保持在未决信号集合中，只有在解除阻塞后，信号才会被递送到信号处理程序中。注意：信号阻塞是一种手段，可以发生在 信号处理 前的任意时段。

注意区分阻塞和忽略（信号处理动作）：忽略是真的什么都不做，相当于“已读不回”；而阻塞是信号还没到处理阶段，它可能会被处理，可能不会被处理，相当于“未读”，是一种状态。

二、在内核中的表示

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在操作系统中，有三张表分别是block表、pending表、handler表。共同构成了操作系统内核管理信号的机制。

  • block表：也称信号阻塞表（位图）。它主要用于记录信号有没有被阻塞。如果某信号（比特位的位置）被设置成1，表示信号被阻塞；如果某信号被设置成0，表示信号没有被阻塞。
  • pending表：也称未决信号表（位图）。它主要用于记录已经向进程发送但尚未被处理的信号（信号保存）。如果信号（比特位的位置）对应的比特位是1，则表示该信号是pending的，即信号产生但还未被处理。当进程的信号处理函数还没有准备好处理信号时，信号会保持在pending表中。一旦信号的处理函数准备好，内核会从pending表中选择一个信号交付给进程。注意：如果这个信号还没处理，又来个信号，那么就只记得最近一次的信号。
  • handler表：也称信号处理程序表（函数指针数组）。该表存储着信号[1,31]的系统默认处理动作的函数指针（函数地址）；如果用户自定设定了方法（如singal函数自定义处理方式），则会将该方法的地址填入到信号处理程序表中。当进程接收到一个信号时，内核会查找该信号对应的处理函数，并执行该处理函数来响应信号事件。
  • 信号它的一切操作都是围绕这三张表！！！

处理信号有三种方式：忽略SIG_IGN、系统默认动作SIG_DEL、用户自定义。用户自定义在【信号产生】已经用很多次了，这次来见见忽略和系统默认动作。

  • Linux操作系统对于忽略和默认动作的定义

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默认动作就是将0强转为函数指针类型，忽略动作则是将1强转为函数指针类型，分别对应handler 表中的0、1下标位置。

我们可以使用代码来看看效果

  • 忽略动作SIG_IGN

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【程序结果】

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  • 系统默认动作SIG_DEL

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【程序结果】

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三、操作系统中位图的数据类型

3.1 sigset_t — 信号集类型

无论是block表还是pending表，它们都是位图结构，同时也是内核的数据结构。由于操作系统不相信任何用户，它不允许用户直接修改这两张表。所以要修改这些表，操作系统一定提供了一系列的系统调用接口。

在内核中，操作系统将信号操作所需要的位图结构封装成了一个结构体类型__sigset_t，在用户层，我们可以直接使用sigset_t类型。

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sigset_t称为信号集类型，这个类型可以表示每个信号的有或无状态。

  • 在阻塞信号集block表中有和无的含义是该信号是否被阻塞。
  • 而在未决信号集pending表中有和无的含义是该信号是否处于未决状态。

至于这个类型内部如何存储这些比特位则依赖于系统实现，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，比如直接打印sigset_t变量是没有意义的！

3.2 信号集操作函数

#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);
  • sigemptyset函数：初始化set所指向的信号集，将所有信号的对应比特位清零，表示该信号集不包含任何有效信号。
  • sigfillset函数：初始化set所指向的信号集，将所有信号的对应bit设置成1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
  • sigaddset函数：向指定的信号集中添加特定的信号，设置1。
  • sigdelset函数，向指定的信号集中去掉特定的信号，设置0。
  • 以上四个函数都是成功返回0，出错返回-1。
  • sigismember函数：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。

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。

四、系统调用接口 — sigprocmask

sigprocmask函数用来对block表进行操作（阻塞信号）。函数原型如下：

#include <signal>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

参数解释：

  • how参数：指定操作的类型，可以是以下值之一：

    • SIG_BLOCK：将 set中的信号添加到当前进程的block表中（mask|=set）。
    • SIG_UNBLOCK：从当前进程的block表中移除set中的信号（mask&=~set）。
    • SIG_SETMASK：设置当前进程的block表为 set 中的值（mask==set）。

  • set 参数：就是一个信号集，主要从此信号集中获取屏蔽信号信息

  • oldset 参数：指向 sigset_t 类型的指针，用于存储之前的block表。如果不需要获取旧的block表，可以将 oldset 设为 nullptr。

  • 返回值：若成功则为0，若出错则为-1。

五、系统调用接口 — sigpending

sigpending函数用来获取当前进程中的未决信号集pengding表，为了做检查。函数原型如下：

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);

参数说明：

  • 参数：待获取的未决信号集
  • 返回值：成功返回0，失败返回 -1并将错误码设置

如何根据打印 pending 表

  1. 使用函数sigismember判断当前信号集中是否存在该信号，如果存在，输出1，否则输出0
  2. 如此重复，将 31 个信号全部判断打印输出即可

【代码】

代码逻辑：循环打印pending表，阻塞2号信号。若进程没有收到2号信号，那么位图一定是全0；当进程收到2号信号时，位图的低2位比特位由0变1

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
    // 在用户层定义sigset_t变量
    sigset_t sset;
    // 初始化信号集，将所有信号的对应比特位清零
    sigemptyset(&sset);
    // 将信号集sset添加特定的信号，设置1
    sigaddset(&sset, 2);
    // sigprocmask函数用来对block表进行操作（阻塞信号）
    sigset_t oldset;
    sigemptyset(&oldset);
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &sset, &oldset);

    // 重复打印当前进程的pending表。
    // 虽然我们阻塞了2号信号，但是只有没产生信号，pending表一定是全0
    sigset_t pending_t; // 获取pending表
    while (true)
    {
        // sigpending函数用来获取当前进程中的未决信号集pending表
        int n = sigpending(&pending_t);
        if (n < 0) continue; 
        // 打印
        // 判断当前信号集中是否存在该信号，如果存在，输出1，否则输出0
        for (int i = 31; i >= 1; i--)
        {
            if (sigismember(&pending_t, i))
            {
                cout << "1";
            }
            else
            {
                cout << "0";
            }
        }
        cout << endl << endl;
             
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

【程序结果】

在这里插入图片描述

我们再看下面的代码，这段代码在上面的基础上加了解除2号信号阻塞，那么当收到2号信号后，由于解除了阻塞，对应的比特位由1变为0。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
    // 在用户层定义sigset_t变量
    sigset_t sset;
    // 初始化信号集，将所有信号的对应比特位清零
    sigemptyset(&sset);
    // 将信号集sset添加特定的信号，设置1
    sigaddset(&sset, 2);
    // sigprocmask函数用来对block表进行操作（阻塞信号）
    sigset_t oldset;
    sigemptyset(&oldset);
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &sset, &oldset);

    // 重复打印当前进程的pending表。
    // 虽然我们阻塞了2号信号，但是只有没产生信号，pending表一定是全0
    sigset_t pending_t; // 获取pending表
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        // sigpending函数用来获取当前进程中的未决信号集pending表
        int n = sigpending(&pending_t);
        if (n < 0) continue; 
        // 打印
        // 判断当前信号集中是否存在该信号，如果存在，输出1，否则输出0
        for (int i = 31; i >= 1; i--)
        {
            if (sigismember(&pending_t, i))
            {
                cout << "1";
            }
            else
            {
                cout << "0";
            }
        }
        cout << endl << endl;
             
        sleep(1);
        // 解除阻塞
        cnt++;
        if (cnt == 6)
        {
        	cout << "已解除2号信号阻塞" << endl;
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, nullptr);
        }
    }
    return 0;
}

【程序结果】

在这里插入图片描述

通过以上结果：当 2 号信号产生后，当前进程的 pending 表中的 2 号信号位被置为 1，表示该信号属于未决状态，并且在六秒之后，阻塞结束，信号递达，进程终止。

哎？奇怪？当阻塞解除后，信号递达，应该看见 pending 表中对应位置的值由 1 变为 0，但为什么没有看到？

这是因为当阻塞解除后信号递达，而2号信号的默认执行动作为终止进程，进程都终止了，当然看不到。

解决方法：自定义2号信号的处理动作动作（别急着退出进程）

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void handler(int signum)
{
    cout << "解除" << signum << "号信号的阻塞 " << endl;
    // 最终不退出进程 没加exit
}

int main()
{
    // 捕捉2号信号
    signal(2, handler);

    // 在用户层定义sigset_t变量
    sigset_t sset;
    // 初始化信号集，将所有信号的对应比特位清零
    sigemptyset(&sset);
    // 将信号集sset添加特定的信号，设置1
    sigaddset(&sset, 2);
    // sigprocmask函数用来对block表进行操作（阻塞信号）
    sigset_t oldset;
    sigemptyset(&oldset);
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &sset, &oldset);

    // 重复打印当前进程的pending表。
    // 虽然我们阻塞了2号信号，但是只有没产生信号，pending表一定是全0
    sigset_t pending_t; // 获取pending表
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        // sigpending函数用来获取当前进程中的未决信号集pending表
        int n = sigpending(&pending_t);
        if (n < 0)
            continue;
        // 打印
        // 判断当前信号集中是否存在该信号，如果存在，输出1，否则输出0
        for (int i = 31; i >= 1; i--)
        {
            if (sigismember(&pending_t, i))
            {
                cout << "1";
            }
            else
            {
                cout << "0";
            }
        }
        cout << endl
             << endl;

        sleep(1);
        // 解除阻塞
        cnt++;
        if (cnt == 4)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, nullptr);
        }
    }
    return 0;
}

【程序结果】

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那如果将所有的信号全部屏蔽掉，那是不是信号就不会被递达（处理）了？

我们能想到的，操作系统的设计者肯定考虑到了，肯定有一些信号是无法被屏蔽的。

9号和19号不可被屏蔽，也不可被捕捉。我们可以来验证

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
	cout << "my pid is " << getpid() << endl;
	sleep(3);
	
    sigset_t sset, oldset;
    sigemptyset(&sset);
    sigemptyset(&oldset);
    for (int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        sigaddset(&sset, i);
    }
    // 将所有的信号屏蔽
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &sset, &oldset);
    sigset_t pending_t;
    while (true)
    {
        int n = sigpending(&pending_t);
        if (n < 0)
            continue;
        for (int signo = 31; signo >= 1; signo--)
        {
            cout << sigismember(&pending_t, signo);
        }
        cout << endl
             << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

代码如上，大家可以通过kill -num <pid>命令自行去试。

六、总结

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七、相关代码

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