【Linux】信号的保存&信号的捕捉&信号集&零碎知识点总结

一、信号的保存
- 1.1 信号几种概念
- 1.2 信号在内核中的表示
二、信号的捕捉
- 了解用户态和内核态
- 2.1 捕捉过程
- 2.2 信号的捕捉方法
- 2.3 信号捕捉规则
- 2.4 多信号屏蔽问题
三、信号集
- 3.1 概念
- 3.2 信号集（sigset_t）操作函数
四、可重入函数
五、volatile关键字
六、SIGCHLD

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一、信号的保存

1.1 信号几种概念

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。

1.2 信号在内核中的表示

原理图，一图速览内核中信号的基本数据结构构成
内核中信号基本数据结构构成

在进程内部要保存信号周边的信息，有3种数据结构与之是强相关的，pending表，Block表，Handler表。

进程可能在任何时候收到OS给它发送的信号，该信号可能暂时不被处理，所以需要暂时被保存，进程为了保存信号采用位图来保存，这个位图就是pending位图，被置于pending位图的信号处于未决状态。OS向进程发信号就是向目标进程的pending位图设置比特位，从0到1就是当前进程收到该信号，所以发信号应该是写信号，PCB属于OS内核结构，只有OS有权力修改pending位图，所以发送信号的载体只能是OS。
block位图：block位图比特位的位置代表信号标号，比特位的内容代表是否阻塞了该信号
Handler表,内核中有指针指向该数组，这个数组称为当前进程所匹配的信号递达的所有方法，数组的位置（下标）代表信号的编号，数组下标对应的内容表示对应信号的处理方法.

⚠️重点：我们之前所谈到的信号接口signal(signo,handler)的本质是：根据信号编号，找到数组对应的下标，然后将用户层设置的handler函数的地址填到数组对应下标处，等信号产生时候，修改pending表比特位，根据Block表判断该比特位是否被阻塞。信号被递达时，OS拿到信号根据信号位置得到信号的编号，进而访问数组得到信号的处理方法。

二、信号的捕捉

信号产生的时候，可能不会立即处理，会在合适的时候从内核态返回用户态的时候处理。

了解用户态和内核态

用户为了访问内核或者硬件资源必须要使用系统调用，系统调用是OS提供的接口，而普通用户不能以用户态的身份执行系统调用，必须让自己的身份切换成成内核态。
一个进程在执行时必须把上下文信息切换到CPU中，CPU中有大量的寄存器，寄存器可分为可见寄存器（eax,ebx…），不可见寄存器(状态寄存器…),凡是和当前进程强相关的，是上下文数据。

寄存器中还有非常多的寄存器在进程中有特定作用，寄存器可以指向进程PCB，也可以保存当前用户级的页表，指向页表起始地址

寄存器中还有CR3寄存器：表征当前进程的运行级别：0表示内核态，3表示用户态

进程如何去OS中执行方法
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以前所说的进程地址空间0-3G是用户级页表，通过用户级页表映射到不同的物理空间处，而除了用户级页表之外，还有内核级页表，OS为了维护从虚拟地址到物理地址之间的OS级别的代码所构成的内核级映射表。
3G-4G是OS内部的映射，所以进程建立映射的时候不仅仅把用户的代码、数据和进程产生关联，每一个进程都要通过内核级页表和OS产生关联，而每一个进程都有自己的地址空间，其中用户级空间自己占有，而内核空间是被映射到了每一个进程的3-4G空间，每一个进程都可以通过页表映射到OS，而且每个进程看到的OS都是一样的，所以进程要访问OS的接口，其实只需要在自己的地址空间上进行跳转就可以了
每一个进程都有3-4GB，都会共享一个内核级页表，无论进程如何切换，都不会更改任何的3-4GB。

用户通过什么能够执行访问内核的接口或者数据

当要访问3-4G任何一个地址时，OS立马读取CPU中的CR3寄存器，得到运行状态。所以系统调用接口起始的位置会帮我们把用户态变成内核态，从3号状态改成0号状态。
OS是如何通过系统调用把用户态变成内核态的：
中断汇编指令int 80就是陷入内核，简单理解把状态由用户态改成内核态。调用结束时再切回来

2.1 捕捉过程

通过系统调用，陷入内核，OS返回用户态之前，会在进程的上下文中搜索可以传递的信号，OS能从CPU寄存器中拿到task_struct找到进程，查3张表，先查block表：block为0说明没被阻塞，继续看pending，pending为0继续下一个…

理论上是可以从内核态访问用户态（waitpid），但是实际上我们不能以内核态去访问用户态，OS不相信任何用户

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简化图：
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2.2 信号的捕捉方法

signal：

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);//函数指针
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

sigaction：
act:结构体对象，输入型参数；oldact:输出型参数，获取特定信号老的处理方法

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {
               void     (*sa_handler)(int);//回调方法
               void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//处理实时信号，不关心
               sigset_t   sa_mask;//信号集
               int        sa_flags;//设置0就行
               void     (*sa_restorer)(void);
           };
RETURN VALUE：返回值
     sigaction() returns 0 on success; on error, -1 is returned, and errno is set to indicate the error.

2.3 信号捕捉规则

当我们进行正在递达某一个信号期间，同类型信号无法递达：当前信号正在被捕捉，系统会自动将当前信号加入到进程的信号屏蔽字（即BLOCK表），自动将2号信号屏蔽。
而当信号完成捕捉动作，系统又会自动解除对该信号的屏蔽
一般一个信号被解除屏蔽的时候，如果该信号已经被pending的话，会自动进行递达当前屏蔽信号，没有就不做任何动作
进程处理信号的原则是串行的处理同类的信号，不允许递归式处理
信号的自定义捕捉行为在执行之前就会把pending对应的信号比特位由1置0，然后再去执行行为，避免重复抵达问题

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2.4 多信号屏蔽问题

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

void Count(int cnt)
{
    while(cnt)
    {
        printf("cnt:%d\r",cnt);
        fflush(stdout);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    cout<<endl;
}

void handler(int signo)
{
    cout<<"get a signo"<<signo<<"正在处理信号"<<endl;
    Count(20);//倒计时打印
}

int main()
{
    struct sigaction act,oact;
    act.sa_handler=handler;
    act.sa_flags=0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    //屏蔽多个信号可以把信号添加到sa_mask
    sigaddset(&act.sa_mask,3);
    

    sigaction(SIGINT,&act,&oact);

    while (true)
    {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

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三、信号集

3.1 概念

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

3.2 信号集（sigset_t）操作函数

使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量

#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);

sigprocmask ：读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)Block表
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

#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

sigpending ：读取pending信号集

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t  *set)
调用成功则返回0,出错则返回-1。

关于这些函数的具体使用可参考我的码云

四、可重入函数

在信号层面解释：如果在main中和在handler中，该函数被重复调用，此时出现冲突问题，则该函数(比如list.insert)称为不可重入函数;相反如无冲突，则是可重入函数。

例如：main函数调用insert，向链表head插入Node1,insert只做了第一步，然后就被中断（或者因为信号原因执行信号捕捉），此时进程挂起，然后回到用户态之前检查有信号待处理，于是执行sighandler方法，sighandler也调用了insert函数，把Node2头插到链表里，Node2的next结点指向下一个结点位置，下一步就是head指向Node2,完成Node2的头插，信号捕捉完之后就成功把Node2插入，接下来回到main执行流，对Node1完成插入的第二步动作，此时把head指向Node1,最后只有Node1真正插入到链表之中。

而我们目前大部分情况下用的接口，全部都是不可重入的，重入不重入是特性。

识别不可重入函数
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库的汗多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

五、volatile关键字

volatile保持内存可见性

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int quit = 0;
void handler(int signo)
{
    printf("%d号信号，正在被捕捉\n",signo);
    printf("quit:%d",quit);
    quit = 1;
    printf("->%d\n",quit);
}
int main()
{
    signal(2,handler);
    while(!quit);
    printf("注意，我是正常退出的\n");
    return 0;
}

以上代码正常编译是以下情况
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但是增加了-O3优化后变成以下情况

mysignal:mysignal.c
	gcc -o $@ $^  -O3

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具体原因：
寄存器的存在遮盖了物理内存当中quit变量存在的事实

解决办法：int quit = 0;增加关键字 volatile-->volatile int quit=0

六、SIGCHLD

父进程可以用wait和waitpid函数清理僵尸进程【子进程先于父进程退出后，子进程的PCB需要其父进程释放，但是父进程并没有释放子进程的PCB，这样的子进程就称为僵尸进程】,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)，这两种方式都是局限性。
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。

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_IGNsignal(SIGCHLD, 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。