1.信号的概念
1.1 信号的概念
信号是 Linux 进程间通信的最古老的方式之一，是事件发生时对进程的通知机制，有时也
称之为软件中断，它是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信的方式。信号
可以导致一个正在运行的进程被另一个正在运行的异步进程中断，转而处理某一个突发事件。
◼ 发往进程的诸多信号，通常都是源于内核。引发内核为进程产生信号的各类事件如下：
- 对于前台进程，用户可以通过输入特殊的终端字符来给它发送信号。比如输入Ctrl+C 通常会给进程发送一个中断信号。
- 硬件发生异常，即硬件检测到一个错误条件并通知内核，随即再由内核发送相应信号给 相关进程。比如执行一条异常的机器语言指令，诸如被 0
除，或者引用了无法访问的 内存区域。 - 系统状态变化，比如 alarm 定时器到期将引起 SIGALRM 信号，进程执行的 CPU 时间超限，或者该进程的某个子进程退出。
- 运行 kill 命令或调用 kill 函数。
◼ 使用信号的两个主要目的是：
- 让进程知道已经发生了一个特定的事情。
- 强迫进程执行它自己代码中的信号处理程序。
◼ 信号的特点：
- 简单
- 不能携带大量信息
- 满足某个特定条件才发送
- 优先级比较高
◼ 查看系统定义的信号列表：kill –l
◼ 前 31 个信号为常规信号，其余为实时信号。
1.2 Linux 信号一览表
1.3 信号的5 种默认处理动作
◼ 查看信号的详细信息：man 7 signal
◼ 信号的 5 中默认处理动作
- Term 终止进程
- Ign 当前进程忽略掉这个信号
- Core 终止进程，并生成一个Core文件
- Stop 暂停当前进程
- Cont 继续执行当前被暂停的进程
◼ 信号的几种状态：产生、未决、递达
◼ SIGKILL 和 SIGSTOP 信号不能被捕捉、阻塞或者忽略，只能执行默认动作。
2.信号相关的函数/kill、raise、abort函数
◼ int kill(pid_t pid, int sig);
◼ int raise(int sig);
◼ void abort(void);
◼ unsigned int alarm(unsigned int seconds);
◼ int setitimer(int which, const struct itimerval *new_val, struct itimerval *old_value);
◼ sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
◼ int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
# 设置core文件的大小
ulimit -c 1024
# 查看系统的参数
ulimit -a
core.c
查看程序错误信息
(gdb)core-file core
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char * buf;
strcpy(buf, "hello");
return 0;
}
kill.c
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
- 功能：给任何的进程或者进程组pid, 发送任何的信号 sig
- 参数：
- pid ：
> 0 : 将信号发送给指定的进程
= 0 : 将信号发送给当前的进程组
= -1 : 将信号发送给每一个有权限接收这个信号的进程
< -1 : 这个pid=某个进程组的ID取反 （-12345）
- sig : 需要发送的信号的编号或者是宏值，0表示不发送任何信号
kill(getppid(), 9);
kill(getpid(), 9);
int raise(int sig);
- 功能：给当前进程发送信号
- 参数：
- sig : 要发送的信号
- 返回值：
- 成功 0
- 失败 非0
kill(getpid(), sig);
void abort(void);
- 功能： 发送SIGABRT信号给当前的进程，杀死当前进程
kill(getpid(), SIGABRT);
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if(pid == 0) {
// 子进程
int i = 0;
for(i = 0; i < 5; i++) {
printf("child process\n");
sleep(1);
}
} else if(pid > 0) {
// 父进程
printf("parent process\n");
sleep(2);
printf("kill child process now\n");
kill(pid, SIGINT);
}
return 0;
}
3.信号相关的函数/alarm 函数
alarm.c
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
- 功能：设置定时器（闹钟）。函数调用，开始倒计时，当倒计时为0的时候，
函数会给当前的进程发送一个信号：SIGALARM
- 参数：
seconds: 倒计时的时长，单位：秒。如果参数为0，定时器无效（不进行倒计时，不发信号）。
取消一个定时器，通过alarm(0)。
- 返回值：
- 之前没有定时器，返回0
- 之前有定时器，返回之前的定时器剩余的时间
- SIGALARM ：默认终止当前的进程，每一个进程都有且只有唯一的一个定时器。
alarm(10); -> 返回0
过了1秒
alarm(5); -> 返回9
alarm(100) -> 该函数是不阻塞的
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int seconds = alarm(5);
printf("seconds = %d\n", seconds); // 0
sleep(2);
seconds = alarm(2); // 不阻塞
printf("seconds = %d\n", seconds); // 3
while(1) {
}
return 0;
}
alarm1.c
实际的时间 = 内核时间 + 用户时间 + 消耗的时间
进行文件IO操作的时候比较浪费时间
定时器，与进程的状态无关（自然定时法）。无论进程处于什么状态，alarm都会计时。
// 1秒钟电脑能数多少个数？
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
alarm(1);
int i = 0;
while(1) {
printf("%i\n", i++);//涉及IO的操作，所以程序执行起来比1s时间长
}
return 0;
}
重定向到a.txt文本中，实际上是内核系统调用的时间
./alarm1 >> a.txt
4.信号相关的函数/setitimer函数
setitimer.c
#include <sys/time.h>
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,
struct itimerval *old_value);
- 功能：设置定时器（闹钟）。可以替代alarm函数。精度微妙us，可以实现周期性定时
- 参数：
- which : 定时器以什么时间计时
ITIMER_REAL: 真实时间，时间到达，发送 SIGALRM 常用
ITIMER_VIRTUAL: 用户时间，时间到达，发送 SIGVTALRM
ITIMER_PROF: 以该进程在用户态和内核态下所消耗的时间来计算，时间到达，发送 SIGPROF
- new_value: 设置定时器的属性
struct itimerval { // 定时器的结构体
struct timeval it_interval; // 每个阶段的时间，间隔时间
struct timeval it_value; // 延迟多长时间执行定时器
};
struct timeval { // 时间的结构体
time_t tv_sec; // 秒数
suseconds_t tv_usec; // 微秒
};
过10秒后，每隔2秒定时一次
- old_value ：记录上一次的定时的时间参数，一般不使用，指定NULL，传出参数
- 返回值：
成功 0
失败 -1 并设置错误号
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {
struct itimerval new_value;
// 设置间隔的时间
new_value.it_interval.tv_sec = 2;
new_value.it_interval.tv_usec = 0;
// 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时
new_value.it_value.tv_sec = 3;
new_value.it_value.tv_usec = 0;
int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的
printf("定时器开始了...\n");
if(ret == -1) {
perror("setitimer");
exit(0);
}
getchar();
return 0;
}
5.信号捕捉函数/signal函数【传递函数指针】
◼ sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
◼ int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);
signal.c
#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
- 功能：设置某个信号的捕捉行为
- 参数：
- signum: 要捕捉的信号
- handler: 捕捉到信号要如何处理
- SIG_IGN ： 忽略信号
- SIG_DFL ： 使用信号默认的行为
- 回调函数 : 这个函数是内核调用，程序员只负责写，捕捉到信号后如何去处理信号。
回调函数：
- 需要程序员实现，提前准备好的，函数的类型根据实际需求，看函数指针的定义
- 不是程序员调用，而是当信号产生，由内核调用
- 函数指针是实现回调的手段，函数实现之后，将函数名放到函数指针的位置就可以了。
- 返回值：
成功，返回上一次注册的信号处理函数的地址。第一次调用返回NULL
失败，返回SIG_ERR，设置错误号
SIGKILL SIGSTOP不能被捕捉，不能被忽略。
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
void myalarm(int num) {
printf("捕捉到了信号的编号是：%d\n", num);
printf("xxxxxxx\n");
}
// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {
// 注册信号捕捉
// signal(SIGALRM, SIG_IGN); //忽略定时器
// signal(SIGALRM, SIG_DFL); //相当于啥都没设置
// void (*sighandler_t)(int); 函数指针，int类型的参数表示捕捉到的信号的值。
// 函数名就是函数的地址
signal(SIGALRM, myalarm);
struct itimerval new_value;
// 设置间隔的时间
new_value.it_interval.tv_sec = 2;
new_value.it_interval.tv_usec = 0;
// 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时
new_value.it_value.tv_sec = 3;
new_value.it_value.tv_usec = 0;
int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的
printf("定时器开始了...\n");
if(ret == -1) {
perror("setitimer");
exit(0);
}
getchar();
return 0;
}
好例子：为什么先注册信号捕捉函数？
比如去捕捉兔子，先放好捕捉器，然后逮兔子
执行结果
6.信号捕捉函数/sigaction函数【传递函数指针】
sigaction.c（信号捕捉函数）
/*
#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
struct sigaction *oldact);
- 功能：检查或者改变信号的处理。信号捕捉
- 参数：
- signum : 需要捕捉的信号的编号或者宏值（信号的名称）
- act ：捕捉到信号之后的处理动作
- oldact : 上一次对信号捕捉相关的设置，一般不使用，传递NULL
- 返回值：
成功 0
失败 -1
struct sigaction {
// 函数指针，指向的函数就是信号捕捉到之后的处理函数
void (*sa_handler)(int);
// 不常用
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
// 临时阻塞信号集，在信号捕捉函数执行过程中，临时阻塞某些信号。
sigset_t sa_mask;
// 使用哪一个信号处理对捕捉到的信号进行处理
// 这个值可以是0，表示使用sa_handler,也可以是SA_SIGINFO表示使用sa_sigaction
int sa_flags;
// 被废弃掉了
void (*sa_restorer)(void);
};
*/
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
void myalarm(int num) {
printf("捕捉到了信号的编号是：%d\n", num);
printf("xxxxxxx\n");
}
// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {
struct sigaction act;
act.sa_flags = 0;
act.sa_handler = myalarm;
sigemptyset(&act.sa_mask); // 清空临时阻塞信号集
// 注册信号捕捉
sigaction(SIGALRM, &act, NULL);
struct itimerval new_value;
// 设置间隔的时间
new_value.it_interval.tv_sec = 2;
new_value.it_interval.tv_usec = 0;
// 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时
new_value.it_value.tv_sec = 3;
new_value.it_value.tv_usec = 0;
int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的
printf("定时器开始了...\n");
if(ret == -1) {
perror("setitimer");
exit(0);
}
// getchar();
while(1);
return 0;
}
内核实现信号捕捉的过程
7.信号集及相关函数
阻塞信号集和未决信号集
◼ 许多信号相关的系统调用都需要能表示一组不同的信号，多个信号可使用一个称之为信号集的数据结构来表示，其系统数据类型为 sigset_t。
◼ 在 PCB 中有两个非常重要的信号集。一个称之为 “阻塞信号集” ，另一个称之为“未决信号集” 。这两个信号集都是内核使用位图机制来实现的。但操作系统不允许我们直接对这两个信号集进行位操作。而需自定义另外一个集合，借助信号集操作函数来对 PCB 中的这两个信号集进行修改。
◼ 信号的 “未决” 是一种状态，指的是从信号的产生到信号被处理前的这一段时间。
◼ 信号的 “阻塞” 是一个开关动作，指的是阻止信号被处理，但不是阻止信号产生。
◼ 信号的阻塞就是让系统暂时保留信号留待以后发送。由于另外有办法让系统忽略信号，
所以一般情况下信号的阻塞只是暂时的，只是为了防止信号打断敏感的操作。
阻塞信号集和未决信号集【相关说明】
1.用户通过键盘 Ctrl + C, 产生2号信号SIGINT (信号被创建)
2.信号产生但是没有被处理 （未决）
- 在内核中将所有的没有被处理的信号存储在一个集合中 （未决信号集）
- SIGINT信号状态被存储在第二个标志位上
- 这个标志位的值为0， 说明信号不是未决状态
- 这个标志位的值为1， 说明信号处于未决状态
3.这个未决状态的信号，需要被处理，处理之前需要和另一个信号集（阻塞信号集），进行比较
- 阻塞信号集默认不阻塞任何的信号
- 如果想要阻塞某些信号需要用户调用系统的API
4.在处理的时候和阻塞信号集中的标志位进行查询，看是不是对该信号设置阻塞了
- 如果没有阻塞，这个信号就被处理
- 如果阻塞了，这个信号就继续处于未决状态，直到阻塞解除，这个信号就被处理
信号集相关的函数
以下传递的是用户自定义的信号集：
◼ 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);
如果要修改内核中的信号集，不能直接操作，通过系统的api操作，如下：
◼ int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
◼ int sigpending(sigset_t *set);
sigset.c
/*
以下信号集相关的函数都是对自定义的信号集进行操作。
int sigemptyset(sigset_t *set);
- 功能：清空信号集中的数据,将信号集中的所有的标志位置为0
- 参数：set,传出参数，需要操作的信号集
- 返回值：成功返回0， 失败返回-1
int sigfillset(sigset_t *set);
- 功能：将信号集中的所有的标志位置为1
- 参数：set,传出参数，需要操作的信号集
- 返回值：成功返回0， 失败返回-1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
- 功能：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为1，表示阻塞这个信号
- 参数：
- set：传出参数，需要操作的信号集
- signum：需要设置阻塞的那个信号
- 返回值：成功返回0， 失败返回-1
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
- 功能：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为0，表示不阻塞这个信号
- 参数：
- set：传出参数，需要操作的信号集
- signum：需要设置不阻塞的那个信号
- 返回值：成功返回0， 失败返回-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
- 功能：判断某个信号是否阻塞
- 参数：
- set：需要操作的信号集
- signum：需要判断的那个信号
- 返回值：
1 ： signum被阻塞
0 ： signum不阻塞
-1 ： 失败
*/
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
int main() {
// 创建一个信号集
sigset_t set;
// 清空信号集的内容
sigemptyset(&set);
// 判断 SIGINT 是否在信号集 set 里
int ret = sigismember(&set, SIGINT);
if(ret == 0) {
printf("SIGINT 不阻塞\n");
} else if(ret == 1) {
printf("SIGINT 阻塞\n");
}
// 添加几个信号到信号集中
sigaddset(&set, SIGINT);
sigaddset(&set, SIGQUIT);
// 判断SIGINT是否在信号集中
ret = sigismember(&set, SIGINT);
if(ret == 0) {
printf("SIGINT 不阻塞\n");
} else if(ret == 1) {
printf("SIGINT 阻塞\n");
}
// 判断SIGQUIT是否在信号集中
ret = sigismember(&set, SIGQUIT);
if(ret == 0) {
printf("SIGQUIT 不阻塞\n");
} else if(ret == 1) {
printf("SIGQUIT 阻塞\n");
}
// 从信号集中删除一个信号
sigdelset(&set, SIGQUIT);
// 判断SIGQUIT是否在信号集中
ret = sigismember(&set, SIGQUIT);
if(ret == 0) {
printf("SIGQUIT 不阻塞\n");
} else if(ret == 1) {
printf("SIGQUIT 阻塞\n");
}
return 0;
}
sigprocmask.c
/*
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
- 功能：将自定义信号集中的数据设置到内核中（设置阻塞，解除阻塞，替换）
- 参数：
- how : 如何对内核阻塞信号集进行处理
SIG_BLOCK: 将用户设置的阻塞信号集添加到内核中，内核中原来的数据不变
假设内核中默认的阻塞信号集是mask， mask | set
SIG_UNBLOCK: 根据用户设置的数据，对内核中的数据进行解除阻塞
mask &= ~set
SIG_SETMASK:覆盖内核中原来的值
- set ：已经初始化好的用户自定义的信号集
- oldset : 保存设置之前的内核中的阻塞信号集的状态，可以是 NULL
- 返回值：
成功：0
失败：-1
设置错误号：EFAULT、EINVAL
int sigpending(sigset_t *set);
- 功能：获取内核中的未决信号集
- 参数：set,传出参数，保存的是内核中的未决信号集中的信息。
*/
// 编写一个程序，把所有的常规信号（1-31）的未决状态打印到屏幕
// 设置某些信号是阻塞的，通过键盘产生这些信号
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main() {
// 设置2、3号信号阻塞
sigset_t set;
sigemptyset(&set);
// 将2号和3号信号添加到信号集中
sigaddset(&set, SIGINT);
sigaddset(&set, SIGQUIT);
// 修改内核中的阻塞信号集
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
int num = 0;
while(1) {
num++;
// 获取当前的未决信号集的数据
sigset_t pendingset;
sigemptyset(&pendingset);
sigpending(&pendingset);
// 遍历前32位
for(int i = 1; i <= 31; i++) {
if(sigismember(&pendingset, i) == 1) {
printf("1");
}else if(sigismember(&pendingset, i) == 0) {
printf("0");
}else {
perror("sigismember");
exit(0);
}
}
printf("\n");
sleep(1);
if(num == 10) {
// 解除阻塞
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
}
}
return 0;
}
8.SIGCHLD信号
◼ SIGCHLD信号产生的条件
子进程终止时
子进程接收到 SIGSTOP 信号停止时
子进程处在停止态，接受到SIGCONT后唤醒时
◼ 以上三种条件都会给父进程发送 SIGCHLD 信号，父进程默认会忽略该信号
sigchld.c
/*
SIGCHLD信号产生的3个条件：
1.子进程结束
2.子进程暂停了
3.子进程继续运行
都会给父进程发送该信号，父进程默认忽略该信号。
使用SIGCHLD信号解决僵尸进程的问题。
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
void myFun(int num) {
printf("捕捉到的信号 ：%d\n", num);
// 回收子进程PCB的资源
// while(1) {
// wait(NULL);
// }
while(1) {
int ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
if(ret > 0) {
printf("child die , pid = %d\n", ret);
} else if(ret == 0) {
// 说明还有子进程或者
break;
} else if(ret == -1) {
// 没有子进程
break;
}
}
}
int main() {
// 提前设置好阻塞信号集，阻塞SIGCHLD，因为有可能子进程很快结束，父进程还没有注册完信号捕捉
sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGCHLD);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
// 创建一些子进程
pid_t pid;
for(int i = 0; i < 20; i++) {
pid = fork();
if(pid == 0) {
break;
}
}
if(pid > 0) {
// 父进程
// 捕捉子进程死亡时发送的SIGCHLD信号
struct sigaction act;
act.sa_flags = 0;
act.sa_handler = myFun;
sigemptyset(&act.sa_mask);
sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
// 注册完信号捕捉以后，解除阻塞
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
while(1) {
printf("parent process pid : %d\n", getpid());
sleep(2);
}
} else if( pid == 0) {
// 子进程
printf("child process pid : %d\n", getpid());
}
return 0;
}
