信号-3-信号处理、可重入函数与`volatile`关键字总结

news2024/11/14 10:51:29

信号处理是操作系统中的一个重要机制，它允许进程在运行期间响应外部事件，并作出相应的处理。为了处理信号，程序员需要理解如何设置信号处理器，如何管理信号的屏蔽与阻塞，以及信号的递送机制。本文将结合操作系统中的信号处理、可重入函数、以及volatile关键字等概念，进行详细的分析和总结。

一、信号捕捉与 `sigaction` 机制

1. 信号处理简介

在类 Unix 系统中，信号是一种用于通知进程发生特定事件的机制。信号可以由操作系统发送，也可以由进程发送。信号可以用于进程间通信、错误处理以及通知等。

信号处理函数：当进程接收到信号时，操作系统会根据设定的信号处理函数（Signal Handler）来响应该信号。通过捕捉并处理信号，程序可以在接收到信号时执行特定的操作。

2. 使用 `sigaction` 配置信号处理器

sigaction 是一种设置信号处理函数的方式，提供了比 signal 更强大的功能。sigaction 是一个结构体，其中包含了设置信号处理函数的各项信息。

struct sigaction 结构体：

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);    // 信号处理函数
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 扩展的信号处理函数
    sigset_t sa_mask;                // 屏蔽信号集，在信号处理期间会被阻塞
    int      sa_flags;               // 信号的行为标志
    void     (*sa_restorer)(void);  // 保留字段，不常用
};

sa_handler：指向信号处理函数的指针。此函数将在信号到达时执行。
sa_mask：指示在处理该信号时，需要屏蔽哪些信号。
sa_flags：指定信号处理的行为。例如，SA_SIGINFO 使得信号处理函数接收额外的信号信息。
sa_restorer：一般不需要关注，是为了兼容旧的接口。

sigaction 与信号阻塞：

信号嵌套：操作系统不允许信号处理方法进行嵌套，即一个信号正在处理时，系统会自动屏蔽该信号，直到当前信号处理完成。嵌套信号的屏蔽是由操作系统自动完成的，而无需程序员干预。
sa_mask 的作用：sa_mask 用来指定在信号处理期间需要屏蔽的其他信号。例如，如果你处理 SIGINT 信号时不希望收到 SIGTERM，可以在 sa_mask 中屏蔽 SIGTERM。

3. `pending` 信号和清零时机

在某些情况下，信号可能会在处理信号时被再次递送到进程。pending 信号是指操作系统在信号处理期间接收到的所有待处理的信号。操作系统会在信号处理函数执行之前清空 pending 信号队列。这样做是为了避免一个信号处理期间再次接收同样的信号。

然而，如果一个信号的处理函数在执行过程中接收到相同的信号，并且该信号没有被阻塞，则在处理完当前信号后，操作系统会继续递送该信号。信号的递送通常会按照先进先出（FIFO）的顺序进行。

二、可重入函数与不可重入函数

1. 可重入与不可重入

一个函数被称为可重入函数（reentrant）是指它可以在多次调用之间并行执行而不会出现冲突或错误。当一个函数在执行期间，如果被中断（例如：在信号处理中被调用），能够正确地重新进入并执行，而不会影响原来的执行状态。

不可重入函数：如果一个函数在执行过程中，其状态依赖于共享资源（例如：全局变量或静态变量），当该函数被再次调用时，可能会导致数据冲突或错误，称为不可重入函数。
可重入函数：如果一个函数在执行过程中完全依赖于局部资源（例如：局部变量、栈空间等），则在多个执行流之间调用时，不会发生资源冲突，称为可重入函数。

2. 判断函数是否可重入

全局资源/共享资源：不可重入
如果函数中涉及对全局变量、静态变量或外部资源（如文件、网络连接等）的操作，并且这些资源是共享的，那么该函数就是不可重入的。
局部资源：可重入
如果函数只依赖于局部变量，且没有使用任何共享资源，函数就是可重入的。

3. 函数名后缀 _r（线程安全）

有些函数的实现可能是不可重入的，为了提供可重入的变体，许多标准库函数提供了以 _r 结尾的版本（例如 strtok_r）。这些带有 _r 后缀的函数通常会通过将共享资源变为局部资源的方式，解决不可重入问题，使其线程安全和可重入。

4. 可重入函数的例子

可重入：strncpy()（只要没有改变共享资源）、malloc()（不会改变全局状态）、memcpy()（只使用栈空间）。
不可重入：rand()、strtok()（修改全局状态，可能引发冲突）。

三、`volatile` 关键字

1. `volatile` 的含义

与register相反

volatile 是 C 语言中的一个关键字，用于告诉编译器某个变量的值可能会被外部环境或其他程序所修改，通常用于避免编译器优化掉某些变量的读取或写入操作。

防止优化：在多线程或信号处理程序中，某些变量的值可能被外部事件改变，如信号处理程序或者硬件中断。因此，我们需要使用 volatile 关键字来告诉编译器每次都从内存中读取该变量的值，而不是使用寄存器缓存的值。
内存可见性：volatile 确保每次访问该变量时都从内存中读取最新的值，而不是使用寄存器的缓存副本。这在并发环境下尤为重要。

优化指令如下
其中， -o3为三级优化，从1-3，优化成都加深。-o0为不优化

gcc file -o3

2. 使用场景

多线程：在多线程环境下，如果一个线程修改了某个全局变量，其他线程需要能立即看到该变量的变化，这时可以使用 volatile 关键字来确保变量不会被优化。
信号处理：在信号处理程序中，如果信号处理程序修改了某个变量，而主程序需要监视这个变量，必须使用 volatile 来确保该变量的值不会被优化掉。

3. 示例代码

volatile int flag = 0; //volatile使用方法

void signal_handler(int sig) {//信号捕捉执行流
    flag = 1;  // 设置标志，表示信号到达
}

int main() {//主执行流
    signal(SIGINT, signal_handler);
    
    while (!flag) {
    	pause();//等待信号
        // 忙等，等待信号
    }

    printf("Received signal, exiting...\n");
    return 0;
}

4. 为什么 `volatile` 不会退出

如果不使用 volatile，编译器可能会优化掉 flag 的检查，因为它没有在循环中被修改。通过使用 volatile，确保每次都从内存读取 flag，防止编译器优化掉对 flag 的访问。

四、SIGCHLD 信号

SIGCHLD 是操作系统中与子进程相关的信号。当子进程退出或停止时，父进程会收到 SIGCHLD 信号。父进程可以捕捉这个信号并处理子进程退出的情况。

默认行为：默认情况下，操作系统会在子进程退出时，将其状态保留在进程表中，直到父进程调用 wait() 系统调用以读取子进程的退出状态。
捕捉 SIGCHLD：如果父进程捕捉到 SIGCHLD 信号，通常会通过 wait() 或 waitpid() 等系统调用来收集子进程的退出状态。