Linux系统中的信号

信号是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，以通知目标进程某个状态的改变或系统异常。Linux信号可由如下条件产生：

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；
系统异常。比如浮点异常和非法内存段访问；
系统状态变化。比如alarm定时器到期将引起SIGALRM信号；
运行kill命令或调用kill函数。

服务器程序必须处理（或至少忽略）一些常见的信号，以免异常终止。

发送信号

Linux下，一个进程给其他进程发送信号的API是kill函数。其定义如下

#include＜sys/types.h＞
#include＜signal.h＞
int kill(pid_t pid,int sig);

该函数把信号sig发送给目标进程；目标进程由pid参数指定。如果sig取值为0，则kill函数不发送任何信号。但将sig设置为0可以用来检测目标进程或进程组是否存在，因为检查工作总是在信号发送之前就执行。不过这种检测方式是不可靠的。一方面由于进程PID的回绕，可能导致被检测的PID不是我们期望的进程的PID；另一方面，这种检测方法不是原子操作。

信号的处理方式

目标进程在收到信号时，需要定义一个接收函数来处理之。信号处理函数的原型如下

#include＜signal.h＞
typedef void(*__sighandler_t)(int);

信号处理函数只带有一个整型参数，该参数用来指示信号类型

除了用户自定义信号处理函数外，bits/signum.h头文件中还定义了信号的两种其他处理方式——SIG_IGN和SIG_DEL：

#include＜bits/signum.h＞
#define SIG_DFL((__sighandler_t)0)
#define SIG_IGN((__sighandler_t)1)

SIG_IGN表示忽略目标信号，SIG_DFL表示使用信号的默认处理方式。信号的默认处理方式有如下几种：结束进程（Term）、忽略信号（Ign）、结束进程并生成核心转储文件（Core）、暂停进程（Stop），以及继续进程（Cont）。

中断系统调用

如果程序在执行处于阻塞状态的系统调用时接收到信号，并且为该信号设置了信号处理函数，则默认情况下系统调用将被中断，并且 errno被设置为EINTR。使用sigaction函数为信号设置SA_RESTART标志以自动重启被该信号中断的系统调用。对于默认行为是暂停进程的信号（比如SIGSTOP、SIGTTIN），如果我们没有为它们设置信号处理函数，则它们也可以中断某些系统调用（比如connect、epoll_wait）。POSIX没有规定这种行为，这是Linux独有的。

signal系统调用

为一个信号设置处理函数，可以使用下面的signal系统调用：

#include＜signal.h＞
_sighandler_t signal(int sig,_sighandler_t _handler)

sig参数指出要捕获的信号类型。_handler参数是_sighandler_t类型的函数指针，用于指定信号sig的处理函数。 signal函数成功时返回一个函数指针，该函数指针的类型也是 _sighandler_t。这个返回值是前一次调用signal函数时传入的函数指针，或者是信号sig对应的默认处理函数指针SIG_DEF(如果是第一次调用signal的话)。 signal系统调用出错时返回SIG_ERR，并设置errno。

sigaction系统调用

设置信号处理函数的更健壮的接口是如下的系统调用：

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

sig参数指出要捕获的信号类型，act参数指定新的信号处理方式， oact参数则输出信号先前的处理方式。act和oact都是sigaction结构体类型的指针，sigaction结构体描述了信号处理的细节，其定义如下：

struct sigaction
{
    #ifdef__USE_POSIX199309
    union
    {
        _sighandler_t sa_handler;
        void(*sa_sigaction)(int,siginfo_t*,void*);
    }
    _sigaction_handler;
    #define sa_handler__sigaction_handler.sa_handler
    #define sa_sigaction__sigaction_handler.sa_sigaction
    #else
    _sighandler_t sa_handler;
    #endif
    _sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void(*sa_restorer)(void);
};

该结构体中的sa_hander成员指定信号处理函数。sa_mask成员设置进程的信号掩码，以指定哪些信号不能发送给本进程。sa_mask是信号集sigset_t类型，该类型指定一组信号。sa_flags成员用于设置程序收到信号时的行为。

信号集

Linux使用数据结构sigset_t来表示一组信号。其定义如下：

#include＜bits/sigset.h＞
#define_SIGSET_NWORDS(1024/(8*sizeof(unsigned long int)))
typedef struct
{
    unsigned long int__val[_SIGSET_NWORDS];
}__sigset_t;

sigset_t实际上是一个长整型数组，数组的每个元素的每个位表示一个信号。这种定义方式和文件描述符集fd_set类似，Linux提供了如下一组函数来设置、修改、删除和查询信号集：

#include＜signal.h＞
int sigemptyset(sigset_t*_set)/*清空信号集*/
int sigfillset(sigset_t*_set)/*在信号集中设置所有信号*/
int sigaddset(sigset_t*_set,int_signo)/*将信号_signo添加至信号集中*/
int sigdelset(sigset_t*_set,int_signo)/*将信号_signo从信号集中删除*/
int sigismember(_const sigset_t*_set,int_signo)/*测试_signo是否在信号集中*/

前文提到可以利用sigaction结构体的sa_mask成员来设置进程的信号掩码。此外，如下函数也可以用于设置或查看进程的信号掩码：

#include＜signal.h＞
int sigprocmask(int_how,_const sigset_t*_set,sigset_t*_oset);

_set参数指定新的信号掩码，_oset参数则输出原来的信号掩码。如果_set参数不为NULL，则_how参数指定设置进程信号掩码的方式，其可选值如表所示

如果_set为NULL，则进程信号掩码不变，仍然可以利用 _oset参数来获得进程当前的信号掩码。

设置进程信号掩码后，被屏蔽的信号将不能被进程接收。如果给进程发送一个被屏蔽的信号，则操作系统将该信号设置为进程的一个被挂起的信号。如果我们取消对被挂起信号的屏蔽，则它能立即被进程接收到。如下函数可以获得进程当前被挂起的信号集：

#include＜signal.h＞
int sigpending(sigset_t*set);

set参数用于保存被挂起的信号集。

统一事件源

信号是一种异步事件：信号处理函数和程序的主循环是两条不同的执行路线。很显然，信号处理函数需要尽可能快地执行完毕，以确保该信号不被屏蔽（为了避免一些竞态条件，信号在处理期间，系统不会再次触发它）太久。一种典型的解决方案是：把信号的主要处理逻辑放到程序的主循环中，当信号处理函数被触发时，它只是简单地通知主循环程序接收到信号，并把信号值传递给主循环，主循环再根据接收到的信号值执行目标信号对应的逻辑代码。信号处理函数通常使用管道来将信号“传递”给主循环：信号处理函数往管道的写端写入信号值，主循环则从管道的读端读出该信号值。那么主循环怎么知道管道上何时有数据可读呢?这很简单，我们只需要使用I/O复用系统调用来监听管道的读端文件描述符上的可读事件。如此一来，信号事件就能和其他I/O事件一样被处理，即统一事件源。很多优秀的I/O框架库和后台服务器程序都统一处理信号和I/O事件，比如Libevent I/O框架库和xinetd超级服务。下面代码给出了统一事件源的一个简单实现：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
static int pipefd[2];
//非阻塞socket
int setnonblocking( int fd )
{
    int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl( fd, F_SETFL, new_option );
    return old_option;
}
//将事件添加注册表
void addfd( int epollfd, int fd )
{
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event );
    setnonblocking( fd );
}
/*信号处理函数*/
void sig_handler( int sig )
{
    /*保留原来的errno，在函数最后恢复，以保证函数的可重入性*/
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
    send( pipefd[1], ( char* )&msg, 1, 0 );
    errno = save_errno;
}
/*设置信号的处理函数*/
void addsig( int sig )
{
    struct sigaction sa;
    memset( &sa, '\0', sizeof( sa ) );
    sa.sa_handler = sig_handler;//指定信号处理函数
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;//设置程序接收信号时行为（重新调用被该信号终止的系统调用）
    sigfillset( &sa.sa_mask );//设置信号掩码
    assert( sigaction( sig, &sa, NULL ) != -1 );//设置信号处理函数
}

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int listenfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( listenfd >= 0 );

    //int nReuseAddr = 1;
    //setsockopt( listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &nReuseAddr, sizeof( nReuseAddr ) );
    ret = bind( listenfd, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    if( ret == -1 )
    {
        printf( "errno is %d\n", errno );
        return 1;
    }
    //assert( ret != -1 );

    ret = listen( listenfd, 5 );
    assert( ret != -1 );

    //创建注册表
    epoll_event events[ MAX_EVENT_NUMBER ];
    int epollfd = epoll_create( 5 );
    assert( epollfd != -1 );
    addfd( epollfd, listenfd );
    /*使用socketpair创建管道，注册pipefd[0]上的可读事件*/
    /*socketpair相当于创建一对套接字（pipefd[2]），可用于全双工通信,一方负责写，一方负责读*/
    ret = socketpair( PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd );
    assert( ret != -1 );
    setnonblocking( pipefd[1] );
    addfd( epollfd, pipefd[0] );
    /*设置一些信号的处理函数*/
    // add all the interesting signals here
    addsig( SIGHUP );//控制终端挂起
    addsig( SIGCHLD );//子进程状态发生变化（退出或者暂停）
    addsig( SIGTERM );//终止进程
    addsig( SIGINT );//键盘输入以中断进程（Ctrl+C）
    bool stop_server = false;

    while( !stop_server )
    {
        int number = epoll_wait( epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
        if ( ( number < 0 ) && ( errno != EINTR ) )
        {
            printf( "epoll failure\n" );
            break;
        }
    
        for ( int i = 0; i < number; i++ )
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            /*如果就绪的文件描述符是listenfd，则处理新的连接*/
            if( sockfd == listenfd )
            {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );
                int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength );
                addfd( epollfd, connfd );
            }
            /*如果就绪的文件描述符是pipefd[0]，则处理信号*/
            else if( ( sockfd == pipefd[0] ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
            {
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv( pipefd[0], signals, sizeof( signals ), 0 );
                if( ret == -1 )
                {
                    continue;
                }
                else if( ret == 0 )
                {
                    continue;
                }
                else
                {
                /*因为每个信号值占1字节，所以按字节来逐个接收信号。
                我们以SIGTERM为例，来说明如何安全地终止服务器主循环*/
                    for( int i = 0; i < ret; ++i )
                    {
                        //printf( "I caugh the signal %d\n", signals[i] );
                        switch( signals[i] )
                        {
                            case SIGCHLD:
                            case SIGHUP:
                            {
                                continue;
                            }
                            case SIGTERM:
                            case SIGINT:
                            {
                                stop_server = true;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            else
            {
            }
        }
    }

    printf( "close fds\n" );
    close( listenfd );
    close( pipefd[1] );
    close( pipefd[0] );
    return 0;
}

网络编程相关信号

SIGHUP

当挂起进程的控制终端时，SIGHUP信号将被触发。对于没有控制终端的网络后台程序而言，它们通常利用SIGHUP信号来强制服务器重读配置文件。一个典型的例子是xinetd超级服务程序。

SIGPIPE

默认情况下，往一个读端关闭的管道或socket连接中写数据将引发 SIGPIPE信号。我们需要在代码中捕获并处理该信号，或者至少忽略它，因为程序接收到SIGPIPE信号的默认行为是结束进程，而我们绝对不希望因为错误的写操作而导致程序退出。引起SIGPIPE信号的写操作将设置errno为EPIPE。

我们可以使用send函数的MSG_NOSIGNAL标志来禁止写操作触发SIGPIPE信号。在这种情况下，我们应该使用send函数反馈的errno值来判断管道或者socket连接的读端是否已经关闭。此外，我们也可以利用I/O复用系统调用来检测管道和socket连接的读端是否已经关闭。以poll为例，当管道的读端关闭时，写端文件描述符上的POLLHUP事件将被触发；当socket连接被对方关闭时，socket上的POLLRDHUP事件将被触发。

SIGURG

在Linux环境下，内核通知应用程序带外数据到达主要有两种方法：之前介绍的I/O复用技术，select等系统调用在接收到带外数据时将返回，并向应用程序报告socket上的异常事件；另外一种方法就是使用SIGURG信号，代码如下所示：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>

#define BUF_SIZE 1024

static int connfd;
/*SIGURG信号的处理函数*/
void sig_urg( int sig )
{
    int save_errno = errno;
    
    char buffer[ BUF_SIZE ];
    memset( buffer, '\0', BUF_SIZE );
    int ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, MSG_OOB );/*接收带外数据*/
    printf( "got %d bytes of oob data '%s'\n", ret, buffer );

    errno = save_errno;
}
/*设置信号的处理函数*/
void addsig( int sig, void ( *sig_handler )( int ) )
{
    struct sigaction sa;
    memset( &sa, '\0', sizeof( sa ) );
    sa.sa_handler = sig_handler;//指定信号处理函数
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;//设置程序接收信号时行为（重新调用被该信号终止的系统调用）
    sigfillset( &sa.sa_mask );//设置信号掩码
    assert( sigaction( sig, &sa, NULL ) != -1 );//设置信号处理函数
}

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sock >= 0 );

    int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    assert( ret != -1 );

    ret = listen( sock, 5 );
    assert( ret != -1 );

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
    connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
    if ( connfd < 0 )
    {
        printf( "errno is: %d\n", errno );
    }
    else
    {   /*设置一些信号的处理函数*/
        addsig( SIGURG, sig_urg );//控制终端挂起
        fcntl( connfd, F_SETOWN, getpid() );/*根据文件描述词来操作文件(设置异步I/O所有权)*/

        char buffer[ BUF_SIZE ];
        while( 1 )
        {
            memset( buffer, '\0', BUF_SIZE );
            ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, 0 );
            if( ret <= 0 )
            {
                break;
            }
            printf( "got %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer );
        }

        close( connfd );
    }

    close( sock );
    return 0;
}