【Linux】信号3——信号的捕捉

1.信号的捕捉

我们都说信号被收到了，可能不会立马处理

信号是什么时候被处理的呢？

前提是我们得知道自己收到了信号，进程就得在合适的时候去查自己的pending表和block表，这些属于内核数据结构，进程一定要处于内核态，当进程从内核态返回进程态的时候就对信号进行检测和处理

这是我们总的概述，接下来来好好深入理解

1.1.内核空间与用户空间

还记得我们进程地址空间的那张图吗？

我们到目前为止所有的知识都是围绕用户空间，即地址空间的一部分，我们没有接触上面那个部分，那个映射的是操作系统的数据

每一个进程都有自己的进程地址空间mm_struct，该进程地址空间mm_struct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操作系统代码和数据，通过内核级页表与物理内存之间建立映射关系。

假如有50个进程，那么就有50份用户级页表，但是内核级页表只有1份

内核级页表是一个全局的页表，它用来维护操作系统的代码与进程之间的关系。

也就是说无论进程怎么切换，内核空间那1GB是不会变化的

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操作系统的代码和数据，所有进程看到的都是一样的内容。

需要注意的是，虽然每个进程都能够看到操作系统，但并不意味着每个进程都能够随时对其进行访问。

如何理解系统调用？

知道了上面的东西，系统调用还不手到擒来

我们调用系统的方法，就是在自己的地址空间执行的！！！这个和动态库就有异曲同工之处

在操作系统里，任何时候都有进程在执行，我们要想执行操作系统的代码，就可以随时执行。

如何理解进程切换？

在当前进程的进程地址空间中的内核空间，找到操作系统的代码和数据。
执行操作系统的代码，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。

注意： 当你访问用户空间时你必须处于用户态，当你访问内核空间时你必须处于内核态。

理解操作系统的本质

操作系统其实就是1个基于时钟中断的死循环。

在计算机里，有1个时钟芯片，它会每隔很短的时间，向计算机发送时钟中断。

操作系统是1个死循环，每隔一段时间检测这个时钟芯片有没有发时钟中断过来，如果发了，就会执行对应的中断方法。

比如说我在上课，请学生每隔一段时间举一手，这样子我就会停下讲课，去来去问你有什么事？

事实上，操作系统也是如此，在执行死循环的代码（当然这个死循环的代码也是让操作系统等待）时候，时钟芯片每隔很短的时间向计算机发送时钟中断，这个时候操作系统就停下对死循环的运行，转而去进行进程调度，这个时候操作系统就会检测看看进程运行情况，比如运行时间有没有达到时间片，如果达到了，就把你换下去，让别的进程上来。没什么事情了之后，然后就接着去执行死循环了。

1.2.CPU的工作模式——内核态与用户态

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。

进程收到信号之后，并不是立即处理信号，而是在合适的时候，这里所说的合适的时候实际上就是指，从内核态切换回用户态的时候。

你怎么知道你访问的是用户态还是内核态呢？

cpu有1个寄存器，ecs寄存器，它最低的2个比特位，如果是00则表明当前cpu处于内核态，如果处于11则位于用户态

所以内核态换到用户态，只需要去修改esc的最低2位即可。

内核态和用户态之间是进行如何切换的？

从用户态切换为内核态通常有如下几种情况：

需要进行系统调用时。
当前进程的时间片到了，导致进程切换。
产生异常、中断、陷阱等。

与之相对应，从内核态切换为用户态有如下几种情况：

系统调用返回时。
进程切换完毕。
异常、中断、陷阱等处理完毕。

其中，由用户态切换为内核态我们称之为陷入内核。每当我们需要陷入内核的时，本质上是因为我们需要执行操作系统的代码，比如系统调用函数是由操作系统实现的，我们要进行系统调用就必须先由用户态切换为内核态。

1.3.内核如何实现信号的捕捉

这个过程位于当内核处理完毕准备返回用户态时

当我们在执行主控制流程的时候，可能因为某些情况（比如系统调用）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）

遍历pending位图，先看有没有未决信号，没有就直接过，如果有发现有未决信号，就并且该信号没有被阻塞，那么此时就需要该信号进行处理。

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。

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。

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（怕不安全，我们下面讲），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，这次再返回用户态就是恢复 main函数的上下文继续执行了。

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和被调用的关系，是两个独立的控制流程。

巧计

当待处理信号是自定义捕捉时的情况比较复杂，可以借助下图进行记忆：

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，图形中间的圆点就代表着检查pending表。

当识别到信号的处理动作是自定义时，能直接在内核态执行用户空间的代码吗？

理论上来说是可以的，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。

如果允许在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，比如清空数据库等，虽然在用户态时没有足够的权限做到清空数据库，但是如果是在内核态时执行了这种非法代码，那么数据库就真的被清空了，因为内核态是有足够权限清空数据库的。

也就是说，不能让操作系统直接去执行用户的代码，因为操作系统无法保证用户的代码是合法代码，即操作系统不信任任何用户。

1.4.信号捕捉函数——sigaction

捕捉信号除了用前面用过的signal函数之外，我们还可以使用sigaction函数对信号进行捕捉，sigaction函数的函数原型如下：

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作，该函数调用成功返回0，出错返回-1。

参数说明：

signum代表指定信号的编号。
若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。
若oldact指针非空，则通过oldact传出该信号原来的处理动作。

其中，参数act和oldact都是结构体指针变量，该结构体的定义如下：

struct sigaction {
	void(*sa_handler)(int);//看看
	void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//别管了，直接设置0
	sigset_t   sa_mask;//看看
	int        sa_flags;//别管了，直接设置0
	void(*sa_restorer)(void);//别管了，直接设置0
};

结构体的第一个成员sa_handler：这个是信号的处理方法

有下面三种情况

SIG_IGN，表示忽略信号。
SIG_DFL，表示执行系统默认动作。
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。

注意：所注册的信号处理函数的返回值为void，参数为int，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。显然这是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用。

嗯？大家有没有觉得这个参数好像signal函数的第二个参数啊，确实是，所以后面的我们都填0，就可以相当于signal函数

结构体的第二个成员sa_sigaction：

sa_sigaction是实时信号的处理函数。这个我们不管，填0即可

结构体的第三个成员sa_mask：

首先需要说明的是，当某个信号的处理函数被调用，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字（block位图），当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字（block位图），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。

这个成员的类型是sigset_t，想必你肯定知道设置信号被屏蔽的那些函数吧！！

结构体的第四个成员sa_flags：

sa_flags字段包含一些选项，这里直接将sa_flags设置为0即可。

结构体的第五个成员sa_restorer：

该参数没有使用。不管它

合着说这个结构体只有第1个参数和第3个参数可以看看

我们来看看sigaction最简单的用法

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

void handler(int signo)
{
	cout<<"catch a signo:"<<signo<<endl;
}
int main()
{
	struct sigaction act,oact;
	memset(&act,0,sizeof(act));//清空
	memset(&oact,0,sizeof(oact));

	act.sa_handler=handler;
	sigaction(2,&act,&oact);

	while(1)
	{
		cout<<"I am a process: "<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
	
}

我们接下来来使用一下

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

void printPending()
{
	sigset_t set;
	sigpending(&set);

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

void handler(int signo)
{
	printPending();
	cout<<"catch a signo:"<<signo<<endl;
}
int main()
{
	struct sigaction act,oact;
	memset(&act,0,sizeof(act));//清空
	memset(&oact,0,sizeof(oact));

	act.sa_handler=handler;
	sigaction(2,&act,&oact);

	while(1)
	{
		cout<<"I am a process: "<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
}

这个实验表明在信号的捕捉过程中，是先将pending位图对应位置清零，然后再调用信号处理方法的。

例如，下面我们用sigaction函数对2号信号进行了捕捉，将2号信号的处理动作改为了自定义的打印动作，并发送两次2号信号，看看清空。

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

void printPending()
{
	sigset_t set;
	sigpending(&set);

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

void handler(int signo)
{
	cout<<"catch a signo:"<<signo<<endl;
	while(true)
	{
	printPending();
	sleep(1);
	}
}
int main()
{
	struct sigaction act,oact;
	memset(&act,0,sizeof(act));//清空
	memset(&oact,0,sizeof(oact));

	act.sa_handler=handler;
	sigaction(2,&act,&oact);

	while(1)
	{
		cout<<"I am a process: "<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
}

怎么样，是不是和上面说的一样？

我们正在处理2号信号，就会把2号信号屏蔽

接下来我们屏蔽更多信号

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

void printPending()
{
	sigset_t set;
	sigpending(&set);

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

void handler(int signo)
{
	cout<<"catch a signo:"<<signo<<endl;
	while(true)
	{
	printPending();
	sleep(1);
	}
}
int main()
{
	struct sigaction act,oact;
	memset(&act,0,sizeof(act));//清空
	memset(&oact,0,sizeof(oact));

	sigemptyset(&act.sa_mask);//清空
	sigaddset(&act.sa_mask,1);//把1号信号也给屏蔽
	sigaddset(&act.sa_mask,3);//把3号信号也给屏蔽
	sigaddset(&act.sa_mask,4);//把4号信号也给屏蔽
	
	act.sa_handler=handler;
	sigaction(2,&act,&oact);

	while(1)
	{
		cout<<"I am a process: "<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
}

这么样，是不是很简单

2.可重入函数

我们现在定义一个全局链表！

下面主函数中调用insert函数向链表中插入结点node1，某信号处理函数中也调用了insert函数向链表中插入结点node2，乍眼一看好像没什么问题。

下面我们来分析一下，对于下面这个链表。

1、首先，main函数中调用了insert函数，想将结点node1插入链表，但插入操作分为两步，刚做完第一步的时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回到用户态之前检查到有信号待处理，于是切换到sighandler函数。

2、而sighandler函数中也调用了insert函数，将结点node2插入到了链表中，插入操作完成第一步后的情况如下：

3、当结点node2插入的两步操作都做完之后从sighandler返回内核态，此时链表的布局如下：

4、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，即继续进行结点node1的插入操作。

最终结果是，main函数和sighandler函数先后向链表中插入了两个结点，但最后只有node1结点真正插入到了链表中，而node2结点就再也找不到了，造成了内存泄漏。

上述例子中，各函数执行的先后顺序如下：

像上例这样，insert函数被不同的控制流调用（main函数和sighandler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，是两个独立的控制流程），有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，我们将这种现象称之为重入。

而insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，像这样的函数我们称之为不可重入函数，反之，如果一个函数只访问自己的局部变量或参数，则称之为可重入（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。

3.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，今天我们站在信号的角度重新理解一下

在下面的代码中，我们对2号信号进行了捕捉，当该进程收到2号信号时会将全局变量flag由0置1。也就是说，在进程收到2号信号之前，该进程会一直处于死循环状态，直到收到2号信号时将flag置1才能够正常退出。

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


int flag = 0;

void handler(int signo)
{
	cout<<"get a signal:"<<signo<<endl;
	flag = 1;
}
int main()
{
	signal(2, handler);
	
	while (!flag); //flag为0,则!flag为真,也就是说如果flag为0，则会一直停留在这里，如果flag是1，就会往下走
	
	cout<<"test quit normally!"<<endl;
	
	return 0;
}

运行结果如下：

我不按下2号信号，它就一直阻塞

我传了2号信号，他就结束了

该程序的运行过程好像都在我们的意料之中，但实际并非如此。

代码中的main函数和handler函数是两个独立的执行流，而while循环是在main函数当中的，在编译器编译时只能检测到在main函数中对flag变量的使用。

因为此时编译器检测到在main函数中并没有对flag变量做修改操作。在编译器优化级别较高的时候，就有可能将flag设置进寄存器里面，方便cpu的计算！。

此时main函数在检测flag时只检测寄存器里面的值，而handler执行流只是将内存中flag的值置为1了，那么此时就算进程收到2号信号也不会跳出死循环。、

这种优化就是忽视内存的存在，一直使用寄存器。这可是不好的

可是我们上面说的是有优化的情况下，但是我们现在没有优化呢，那怎么办？

在编译代码时携带-O3选项使得编译器的优化级别最高，此时再运行该代码，就算向进程发生2号信号，该进程也不会终止。

面对这种情况，我们就可以使用volatile关键字对flag变量进行修饰，告知编译器，对flag变量的任何操作都必须真实的在内存中进行，即保持了内存的可见性。

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

volatile int flag = 0;

void handler(int signo)
{
	printf("get a signal:%d\n", signo);
	flag = 1;
}
int main()
{
	signal(2, handler);
	while (!flag);
	printf("Proc Normal Quit!\n");
	return 0;
}

此时就算我们编译代码时携带-O3选项，当进程收到2号信号将内存中的flag变量置1时，main函数执行流也能够检测到内存中flag变量的变化，进而跳出死循环正常退出。

4.SIGCHLD信号

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（17号信号），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。

例如，下面代码中对SIGCHLD信号进行了捕捉，并将在该信号的处理函数中调用了waitpid函数对子进程进行了清理。

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

using namespace std;
void handler(int signo)
{
	cout<<"I am a process"<<getpid()<<" get a signal:"<<signo<<endl;
	pit_t ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
	if (ret > 0){
		printf("wait child %d success\n", ret);
	}
}
int main()
{
	signal(17, handler);
	if (fork() == 0){
		//child
		printf("child is running, begin dead: %d\n", getpid());
		sleep(3);
		exit(1);
	}
	//father
	while (1)
	{
		cout<<"I am father:"<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

接下来我们要进行10个子进程同时退出的实验，每个进程都会同时退出来，那么按照我们信号的捕捉，当我们在调用1个信号处理函数时，就会把这个信号屏蔽，如果再收到这个信号，就让它等着（阻塞），这不就会妨碍我们进程的退出吗？

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

using namespace std;
void handler(int signo)
{
	sleep(5);
	cout<<"I am a process"<<getpid()<<" get a signal:"<<signo<<endl;
	pid_t ret;
	while((ret=waitpid(-1, NULL, WNOHANG))> 0){
		printf("wait child  success\n", ret);
	}
}
int main()
{
	signal(17, handler);
	for(int i=1;i<=10;i++)
	{
		pid_t id=fork();
		if (id == 0){
			while(1)
			{
				printf("child is running, begin dead: %d\n", getpid());
				sleep(15);
				break;
			}
			cout<<"child quit"<<endl;
			exit(0);
		}
		sleep(rand()%5+3);//3-7
	}
	//father
	while (1)
	{
		cout<<"I am father:"<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

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，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。
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。

此时父进程就只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了，子进程终止时父进程收到SIGCHLD信号，会自动进行该信号的自定义处理动作，进而对子进程进行清理。

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。

例如，下面代码中调用signal函数将SIGCHLD信号的处理动作自定义为忽略。

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

int main()
{
	signal(17, SIG_IGN);
	if (fork() == 0){
		//child
		printf("child is running, child dead: %d\n", getpid());
		sleep(3);
		exit(1);
	}
	//father
	while (1);
	return 0;
}

此时子进程在终止时会自动被清理掉，不会产生僵尸进程，也不会通知父进程。

我们也可以看看多个进程的

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

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

using namespace std;

int main()
{
	signal(17, SIG_IGN);
	for(int i=1;i<=10;i++)
	{
		pid_t id=fork();
		if (id == 0){
			while(1)
			{
				printf("child is running, begin dead: %d\n", getpid());
				sleep(5);
				break;
			}
			cout<<"child quit"<<endl;
			exit(0);
		}
		sleep(1);
	}
	//father
	while (1)
	{
		cout<<"I am father:"<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

我们看看监控情况