『 Linux 』信号的写入与保存

文章目录

- 信号的发送
- 信号的保存
- sigset_t 类型与信号集操作函数
- 阻塞信号集(信号屏蔽字)操作函数
- 未决信号集操作函数
- 验证阻塞信号集与未决信号集

信号的发送

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$ kill -l
 1) SIGHUP	 2) SIGINT	 3) SIGQUIT	 4) SIGILL	 5) SIGTRAP
 6) SIGABRT	 7) SIGBUS	 8) SIGFPE	 9) SIGKILL	10) SIGUSR1
11) SIGSEGV	12) SIGUSR2	13) SIGPIPE	14) SIGALRM	15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT	17) SIGCHLD	18) SIGCONT	19) SIGSTOP	20) SIGTSTP
21) SIGTTIN	22) SIGTTOU	23) SIGURG	24) SIGXCPU	25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM	27) SIGPROF	28) SIGWINCH	29) SIGIO	30) SIGPWR
31) SIGSYS

普通信号的信号编号由1至31,是以一个位图的大小来定义的;

在task_struct进程内核数据结构中存在一个结构体指针为struct signal_struct *signal用于指向信号处理的结构体;

其中该结构体中包含一个unsigned long类型的数据作为位图;

struct signal_struct {
    ...
    unsigned long pending; // 待处理信号的位图
    ...
};

该数据以位图的形式存在,并存储该进程的待处理信号;

本质上信号的发送指的是操作系统向该位图中对应位置进行写入;

操作系统为进程的管理者,只有操作系统才能够修改task_struct内部属性;

信号的保存

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信号保存在进程的task_struct内核结构体中;

在task_struct内核结构体中包含了三张表表明进程状态,分别为:

阻塞表(阻塞信号集)Blocked Signal Table

阻塞信号集是以位图形式存在的,表示进程当前选择不接收的信号;

进程在执行特定代码时,可以通过将某些信号添加到阻塞信号集中来避免被打断;
未决表(待处理信号集)Pending Signal Table

未决信号集以位图形式存在,记录那些已经发送给进程但尚未被处理的信号;

这些信号会在进程下一次能够处理信号时被送达;
方法表Handler Table

方法表以函数指针数组的形式存在,保存每个信号对应的信号处理程序的地址;

这使得进程能够在接收到特定信号时调用相应的处理函数;

当用户使用自定义动作时将修改该表的内容将用户自定义动作方法指针覆盖默认动作对应位置完成替换;

信号将以上述表中的阻塞信号集与未决信号集进行保存,三张表意味着信号存在三种状态:

阻塞信号

阻塞信号是指进程当前接收但不处理的信号;

在该信号被解除阻塞前进程不会处理这些信号直到解除阻塞后;

通过阻塞信号,进程可以控制在执行关键操作时不被打扰从而确保操作的完整性;
信号未决

信号未决是指哪些已经发送给进程但尚未被处理的信号;

这些信号会被记录在进程的待处理信号集;

即信号在发送时进程无法立即处理(例如处于阻塞状态),但信号仍会被保存以便在合适的时机进行处理;

待处理信号集确保了信号不会丢失;
信号递达

信号递达指已经到达并被处理的信号,当信号处理程序执行完毕后这些信号就会被认定是已抵达的;

信号递达表示信号已经被处理,进程将继续其正常执行流程或者根据信号类型执行特定行为;

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动作;

以上图为例三个格子分别代表三种信号;

信号SIGHUP未传入,或是未被阻塞进入Pending表后信号被处理;

信号SIGINT传入,但Block表对应位置设置了阻塞,被阻塞在Pending表中处于未决状态;

信号SIGQUIT未传入,但Block表中对应位置设置了阻塞;

上述表明阻塞与是否收到信号无关;

阻塞与忽略的区别

阻塞表示已经收到了该信号但不对信号进行处理,使得信号在取消阻塞前都保持未决状态;

忽略表示已经收到了该信号且已经对信号进行了处理,信号已经递达,其中信号的处理方式为忽略,即不作任何处理;

 // 忽略 SIG_IGN

#define SIG_ERR	((__sighandler_t) -1)		/* Error return.  */
#define SIG_DFL	((__sighandler_t) 0)		/* Default action.  */
#define SIG_IGN	((__sighandler_t) 1)		/* Ignore signal.  */


/* Type of a signal handler.  */
typedef void (*__sighandler_t) (int);

sigset_t 类型与信号集操作函数

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信号以位图形式进行标定与保存,但信号保存属于内核信息;

为保证安全,用户无法通过直接修改操作系统内核的位图来修改信号的传递所以封装了一个类型为sigset_t,该类型也被成为信号集;

该类型大致框架为:

typedef struct {
    unsigned long sig[NSIG/ (8 * sizeof(unsigned long))]; // NSIG 是信号数量
} sigset_t;

为保护内核信息并提供用户友好的接口,操作系统定义了sigset_t类型,该类型封装了信号的位图,允许用户程序通过标准化的方式来操作信号集而无需直接与内核数据结构进行交互;

操作系统提供了一系列系统调用,如sigprocmask(),sigaction(),sigemptyset(),sigaddset()等,来操作信号集;

这些接口允许用户程序创建,修改和查询信号集从而实现对信号的控制;

NAME
       sigemptyset, sigfillset, sigaddset, sigdelset, sigismember - POSIX signal set operations.

SYNOPSIS
       #include <signal.h>

       int sigemptyset(sigset_t *set);

       int sigfillset(sigset_t *set);

       int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

       int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

       int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

   Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):

       sigemptyset(), sigfillset(), sigaddset(), sigdelset(), sigismember():
           _POSIX_C_SOURCE >= 1 || _XOPEN_SOURCE || _POSIX_SOURCE

RETURN VALUE
       sigemptyset(), sigfillset(), sigaddset(), and sigdelset() return 0 on success and -1 on error.

sigfillset()

int sigemptyset(sigset_t *set);

用于初始化一个信号集,将其设置为一个空集;

set是指向sigeset_t类型的指针,函数将会修改该信号集;

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

int main() {
    sigset_t set;
    
    // 初始化一个空的信号集
    if (sigemptyset(&set) != 0) {
        perror("sigemptyset");
        return 1;
    }

    // 输出成功
    printf("Initialized empty signal set.\n");
    return 0;
}

sigfillset()

int sigfillset(sigset_t *set);

初始化一个信号集,将其设置为包含所有信号;

set是指向sigset_t类型的指针,函数将会修改该信号集;

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

int main() {
    sigset_t set;
    
    // 初始化一个信号集，包含所有信号
    if (sigfillset(&set) != 0) {
        perror("sigfillset");
        return 1;
    }

    // 输出成功
    printf("Initialized signal set with all signals.\n");
    return 0;
}

sigaddset()

int sigaddset(sigset_t *set , int signum);

将指定的信号添加到信号集中;

set是指向sigset_t类型的指针,表示要修改的信号集;

signum是要添加的信号编号,如SIGINT,SIGQUIT等;

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

int main() {
    sigset_t set;
    
    // 初始化一个空的信号集
    sigemptyset(&set);
    
    // 添加 SIGINT 信号到信号集中
    if (sigaddset(&set, SIGINT) != 0) {
        perror("sigaddset");
        return 1;
    }

    // 输出成功
    printf("Added SIGINT to the signal set.\n");
    return 0;
}

sigdelset()

int sigdelset(sigset_t* set , int signum);

从信号集中删除指定的信号;

set是指向sigset_t类型的指针,表示要修改的信号集;

signum是要删除的信号编号;

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

int main() {
    sigset_t set;
    
    // 初始化一个空的信号集
    sigemptyset(&set);
    
    // 添加 SIGINT 信号到信号集中
    sigaddset(&set, SIGINT);
    
    // 从信号集中删除 SIGINT 信号
    if (sigdelset(&set, SIGINT) != 0) {
        perror("sigdelset");
        return 1;
    }

    // 输出成功
    printf("Removed SIGINT from the signal set.\n");
    return 0;
}

sigismember()

int sigismember(const sigset_t* set , int signum);

检查指定的信号是否在信号集中;

set是指向sigset_t类型的指针,表示要检查的信号集;

signum是要检查的信号编号;

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

int main() {
    sigset_t set;
    
    // 初始化一个空的信号集
    sigemptyset(&set);
    
    // 添加 SIGINT 信号到信号集中
    sigaddset(&set, SIGINT);
    
    // 检查 SIGINT 是否在信号集中
    if (sigismember(&set, SIGINT)) {
        printf("SIGINT is a member of the signal set.\n");
    } else {
        printf("SIGINT is not a member of the signal set.\n");
    }

    return 0;
}

返回值分别为0,1,-1;

0表示当前信号不在信号集中;

1表示当前信号存在于信号集中;

-1表示错误;

阻塞信号集(信号屏蔽字)操作函数

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可调用系统调用接口sigprocmask()对阻塞信号集进行修改从而达到阻塞某个信号的功能;

NAME
       sigprocmask - examine and change blocked signals

SYNOPSIS
       #include <signal.h>

       int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

   Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):

       sigprocmask(): _POSIX_C_SOURCE >= 1 || _XOPEN_SOURCE || _POSIX_SOURCE

RETURN VALUE
       sigprocmask() returns 0 on success and -1 on error.  In the event of an error, errno is set to indicate the cause.

参数为如下:

const sigset_t *set

该参数为将用户定义好的sigset_t类型的信号集传入,从而对阻塞信号集进行特定操作;
sigset_t *oset

该参数为传入一个sigset_t类型的信号集,一般这个信号集为空集;

当set信号集被传进接口函数并对原有阻塞信号集进行操作时将会将原本的阻塞信号集写入*oset空集从而便于恢复;
int how

该参数是一个选择型参数,通过接口所给予的选择通过set信号集来对原有的阻塞信号集进行对应操作;

假设当前阻塞信号集为mask对应选择结果如下:
- SIG_BLOCK
  
  set包含了希望添加到当前阻塞信号集的信号;
  
  相当于mask = mask | set;
- SIG_UNBLOCK
  
  set包含了希望从当前阻塞信号集中解除阻塞的信号;
  
  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;

未决信号集操作函数

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可用系统调用接口sigpending()获取当前进程pending信号集内对应的数据;

NAME
       sigpending - examine pending signals

SYNOPSIS
       #include <signal.h>

       int sigpending(sigset_t *set);

   Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):

       sigpending(): _POSIX_C_SOURCE >= 1 || _XOPEN_SOURCE || _POSIX_SOURCE

DESCRIPTION
       sigpending()  returns  the  set  of  signals that are pending for delivery to the calling thread (i.e., the signals
       which have been raised while blocked).  The mask of pending signals is returned in set.

RETURN VALUE
       sigpending() returns 0 on success and -1 on error.  In the event of an error, errno is set to indicate the cause.

参数为一个sigset_t*类型的输出型参数;

功能为向该接口传入一个sigset_t*的输出型参数,调用时将会把当前进程中的pending未决信号集写入至该参数中;

调用成功返回0,调用失败返回-1并设置errno;

验证阻塞信号集与未决信号集

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利用上文所述接口验证阻塞信号集与未决信号集对应接口以及阻塞是否有效;

以2号信号SIGINT为例,大致思路为:

对信号进行屏蔽
- 声明sigset_t类型信号集
  
  需要声明两个信号集,分别为bset与oset;
  
  bset用于设置,oset用于接收阻塞信号集中原本的信号集;
- 调用sigemptyset()接口初始化信号集为空集
- 调用sigaddset()接口添加2号信号SIGINT
- 调用sigprocmask()接口
  
  调用sigprocmask()接口并使用SIG_SETMASK选项,即覆盖选项;
  
  传入&bset与&oset;
此处2号信号SIGINT已被阻塞;
重复打印未决信号集

将未决信号集进行打印验证2号信号SIGINT是否被阻塞,此前应获取未决信号集;
- 获取未决信号集pending表
  
  声明一个新的sigset_t类型信号集pending并调用接口pending(&pending)使未决信号集写入至pending中;
- 重复打印未决信号集
  
  重复打印未决信号集可以调用sigismember();
  
  当对应信号存在时返回1,不存在返回0,错误则返回-1;
解除信号阻塞

调用sigprocmask()时已将原有信号集写入oset中;

设置时间次数限制,当时间达到时调用sigprocmask()并传入oset信号集对阻塞信号集进行覆盖,最后一个参数传入nullptr表示不需要保存(返回)当前现有阻塞信号集;
设置信号捕获

由于2号信号SIGINT默认动作为终止进程;

为保证进程不被终止可以往复打印未决信号集以观察到2号信号对应位置由1变回0的状态设置自定义动作;

当信号阻塞被解除时处理信号时将执行自定义动作以免进程退出;

#include <unistd.h>

#include <csignal>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std;

void handler(int signum) { printf("func handler get a signum :%d\n", signum); }

int main() {
  // 设置信号处理函数
  signal(SIGINT, handler);

  // 对 SIGINT 信号进行屏蔽
  sigset_t bset;
  if (sigemptyset(&bset)) {
    cerr << "sigemptyset best fail" << endl;
    exit(1);
  }

  if (sigaddset(&bset, SIGINT)) {
    cerr << "sigaddset SIGINT fail" << endl;
    exit(2);
  }

  sigset_t oset;
  if (sigemptyset(&oset)) {
    cerr << "sigemptyset oset fail" << endl;
    exit(3);
  }

  if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oset)) {
    cerr << "sigprocmask SIG_SETMASK fail" << endl;
    exit(4);
  }

  // 重复打印进程中的未决信号集
  sigset_t pending;
  if (sigemptyset(&pending)) {
    cerr << "sigemptyset pending fail" << endl;
    exit(5);
  }

  int cnt = 0;
  while (1) {
    sigpending(&pending);  // 获取未决信号集
    for (int i = 31; i > 0; --i) {
      // 以01位图的形式打印信号集
      // 调用sigismember函数 信号存在返回1 不存在返回0
      // 忽略查错处理
      if (sigismember(&pending, i)) {
        cout << "1";
      } else {
        cout << "0";
      }
    }
    cout << endl << endl;
    sleep(1);
    ++cnt;
    if (cnt == 4) {
      // 大约4秒左右 SIGINT 信号将被解除阻塞
      // 解除阻塞后发出的 SIGINT 信号将被 signal()捕获
      // 从而执行自定义动作而不默认终止
      sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
    }
  }
  // 发送 SIGINT 信号 --- 可以通过按 Ctrl + C 或使用 kill -2 <pid> 发送
  return 0;
}

运行结果为:

$ ./mysignal 
0000000000000000000000000000000

0000000000000000000000000000000

^C0000000000000000000000000000010

0000000000000000000000000000010

func handler get a signum :2
0000000000000000000000000000000

0000000000000000000000000000000

^\Quit

进程开始时2号信号已经被阻塞;

信号未发出时未决信号集中无信号产生;

2秒过后使用Ctrl + C向进程发送2号信号SIGINT,未决信号集中2号信号位置由0变为1;

4秒过后阻塞被解除,2号信号被signal()捕获执行自定义动作,信号变为递达状态即处理完毕,2号信号对应位置由1变回0;

验证完毕Ctrl + \结束当前进程;

无法被阻塞的信号集

9号信号SIGKILL与19号信号SIGSTOP无法被阻塞,以避免出现无法终止与无法暂停的进程;

可将上文代码SIGINT位置修改为SIGKILL,SIGSTOP运行,并在另一个窗口中使用kill -9/19 <pid> 命令进行发送信号;

运行结果如下:
```
# 9号信号SIGKILL
$ ./mysignal
0000000000000000000000000000000

0000000000000000000000000000000

Killed
# 19号信号SIGSTOP
$ ./mysignal
0000000000000000000000000000000

0000000000000000000000000000000


[1]+  Stopped                 ./mysignal
```