【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】信号捕捉|阻塞信号

news2024/11/23 4:48:12

目录

1 -> 信号捕捉初识

2 -> 阻塞信号

2.1 -> 信号其他相关常见概念

2.2 -> 在内核中的表示

2.3 -> sigset_t

2.4 -> 信号集操作函数

2.5 -> sigprocmask

2.6 -> sigpending

3 -> 捕捉信号

3.1 -> 内核如何实现信号的捕捉

3.2 -> sigaction

3.3 -> 可重入函数

3.4 -> volatile

4 -> SIGCHLD信号

1 -> 信号捕捉初识

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
signal(2, handler); //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;
}
[hg@localhost code_test]$ ./sig
^Ccatch a sig : 2
^Ccatch a sig : 2
^Ccatch a sig : 2
^Ccatch a sig : 2
^\Quit (core dumped)
[hg@localhost code_test]$

模拟一下野指针异常

//默认行为
[hg@localhost code_test]$ cat sig.c
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
//signal(SIGSEGV, handler);
sleep(1);
int *p = NULL;
*p = 100;
while(1);
return 0;
}
[hg@localhost code_test]$ ./sig
Segmentation fault (core dumped)
[hg@localhost code_test]$
//捕捉行为
[hg@localhost code_test]$ cat sig.c
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
//signal(SIGSEGV, handler);
sleep(1);
int *p = NULL;
*p = 100;
while(1);
return 0;
}
[hg@localhost code_test]$ ./sig
[hg@localhost code_test]$ ./sig
catch a sig : 11
catch a sig : 11
catch a sig : 11

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。

2 -> 阻塞信号

2.1 -> 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。

2.2 -> 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。

2.3 -> 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。 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。

2.4 -> 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);
  • 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。

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。

2.5 -> 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_BLOCKset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_UNBLOCKset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。

2.6 -> sigpending

#include <signal.h>
sigpending
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。 下面用几个函数做个实验。程序如下：

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。

3 -> 捕捉信号

3.1 -> 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。

3.2 -> 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，这里都把sa_flags设为0，sa_sigaction是实时信号的处理函数。

3.3 -> 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。

3.4 -> volatile

[hg@localhost code_test]$ cat sig.c
#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;
}
[hg@localhost code_test]$ cat Makefile
sig:sig.c
gcc -o sig sig.c #-O2
.PHONY:clean
clean:
rm -f sig
[hg@localhost code_test]$ ./sig
^Cchage flag 0 to 1
process quit normal

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。

[hg@localhost code_test]$ cat sig.c
#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;
}
[hg@localhost code_test]$ cat Makefile
sig:sig.c
gcc -o sig sig.c -O2
.PHONY:clean
clean:
rm -f sig
[hg@localhost code_test]$ ./sig
^Cchage flag 0 to 1
^Cchage flag 0 to 1
^Cchage flag 0 to 1

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。

[hg@localhost code_test]$ cat sig.c
#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;
}
[hg@localhost code_test]$ cat Makefile
sig:sig.c
gcc -o sig sig.c -O2
.PHONY:clean
clean:
rm -f sig
[hg@localhost code_test]$ ./sig
^Cchage flag 0 to 1
process quit normal

volatile作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作。

4 -> SIGCHLD信号

之前的进程文章用wait和waitpid函数清理僵尸进程，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。采用第一种方式，父进程阻塞了就不 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信号的处理函数，这样父进程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清理子进程即可。

请编写一个程序完成以下功能：父进程fork出子进程，子进程调用exit(2)终止，父进程自定义SIGCHLD信号的处理函数，在其中调用wait获得子进程的退出状态并打印。

事实上，由于UNI 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sigaction将SIGCHLD的处理动作置为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sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的，但这是一个特例。此方法对于Linux可用，但不保证在其它UNIX系统上都可用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

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

void handler(int sig)
{
	pid_t id;
	while ((id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0) 
	{
		printf("wait child success: %d\n", id);
	}

	printf("child is quit! %d\n", getpid());
}

int main()
{
	signal(SIGCHLD, handler);
	pid_t cid;
	if ((cid = fork()) == 0) 
	{//child
		printf("child : %d\n", getpid());

		sleep(3);

		exit(1);
	}

	while (1) 
	{
		printf("father proc is doing some thing!\n");

		sleep(1);
	}

	return 0;
}

感谢各位大佬支持！！！

互三啦！！！

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