【进程间通信】信号

news2025/1/13 6:25:19
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        当谈及进程间通信（IPC），我们需要寻找途径来使不同进程能够交换数据和信息。在操作系统中，这一通信机制被称为IPC，它有多种方式可以实现。本文将着重探讨其中之一信号（Signal）以及相关的概念、分类和使用方式。

一、什么是信号

        信号是一种操作系统层面对中断机制的软件模拟，作为一种异步通信方式，它允许进程在某些事件发生时向其他进程发送通知。信号的生命周期包括信号的产生、注册、响应和处理以及注销。

        其中信号响应方式分为三类：

  1. 忽略信号：某些信号可以被进程忽略，但需要注意的是，特殊的信号 SIGKILL（9） 和 SIGSTOP （19）不能被忽略，也不能被捕捉，其默认操作无法修改。
  2. 捕捉信号响应函数：进程可以为特定信号注册自定义的信号处理函数。当进程接收到该信号时，会执行所注册的处理函数，从而实现特定的行为。
  3. 执行缺省操作：Linux系统下的每种信号都有其预定义的默认操作，如果没有指定特定的信号处理方式，系统将会执行该信号的默认操作。

        换句话说，除了这两个信号之外的其他信号，接收信号的目标进程按照如下顺序来做出反应：

A ：如果该信号被阻塞，那么将该信号挂起，不对其做任何处理，等到解除对其阻塞为止。否则进入 B。

B：如果该信号被捕捉，那么进一步判断捕捉的类型：

        B1：如果设置了响应函数，那么执行该响应函数。

        B2： 如果设置为忽略，那么直接丢弃该信号。

        否则进入 C。

C：执行该信号的缺省动作（默认操作）。

注意：

        信号的数值以及对应的名称可以通过命令 kill -l 查看。

信号值缺省动作备注
SIGHUP1终止控制终端被关闭时产生
SIGINT2终止从键盘按键产生的中断信号（比如Ct+C)
SIGQUIT3终止并产生转储文件从键盘按键产生的退出信号（比如Ct+\)
SIGKILL9终止系统杀戮信号
SIGCONT18恢复运行系统恢复运行信号
SIGSTOP19暂停系统暂停信号

二、 信号分类

        信号可以分为非实时信号（前31个）和实时信号（后31个）。这两者在响应方式上有所不同。

  1. 非实时信号（不可靠信号）：非实时信号的响应不会排队，可能会发生嵌套。如果进程未及时响应一个非实时信号，之后的该信号将会被丢弃。每个非实时信号都与系统事件相关联，当事件发生时，对应的信号被产生。
  2. 实时信号（可靠信号）：相比之下，实时信号的响应是按照接收顺序排队的，不会发生嵌套。即使同一种实时信号被多次发送，也不会被丢弃，而是依次响应。与实时信号相关联的没有特殊的系统事件。

三、信号的使用

1.发送信号

        使用 kill(pid, sig) 函数向指定进程发送信号。

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


2.响应方式注册

        使用 signal(sig, func) 函数注册信号的响应方式，其中 func 可以是普通响应函数。

#include <signal.h>
void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

typedef void (*sighandler_t)(int);

SIG_IGN          捕捉动作为：忽略；
SIG_DFL          捕捉动作为：执行该信号的缺省动作；
void (*p)(int)     捕捉动作为：执行由p指向的信号响应函数。

练习：司机和售票员模拟

        设计一个程序，通过父子进程模拟司机和售票员的互动。具体实现如下：

        （1）售票员捕获到 SIGINT 信号时，向司机发送 SIGUSR1 信号，司机收到后打印 "开车了..."；
        （2）售票员捕获到 SIGQUIT 信号时，向司机发送 SIGUSR2 信号，司机收到后打印 "靠站..."；
        （3）司机捕获到 SIGTSTP 信号时，向售票员发送 SIGUSR1 信号，售票员收到后打印 "终点站到了，请所有乘客下车！"。

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int childpid;

// 当售票员捕获到SIGINT信号时，发送信号10给父进程（司机）
void func1(int sig)
{
	kill(getppid(), 10);
}

// 当司机捕获到SIGUSR1信号时，打印“开车了...”
void func2(int sig)
{
	printf("开车了...\n");
}

// 当售票员捕获到SIGQUIT信号时，发送信号12给子进程（售票员）
void func3(int sig)
{
	kill(getppid(), 12);
}

// 当司机捕获到SIGUSR2信号时，打印“靠站...”
void func4(int sig)
{
	printf("靠站...\n");
}

// 当售票员捕获到SIGTSTP信号时，发送信号10给子进程（售票员）
void func5(int sig)
{
	kill(childpid, 10);
}

// 当售票员捕获到SIGUSR1信号时，打印“终点站到了，请全部下车...”，然后退出进程
void func6(int sig)
{
	printf("终点站到了，请全部下车...\n");
	kill(getppid(), 9); // 给父进程（司机）发送SIGKILL信号
	kill(getpid(), 9);  // 给自己发送SIGKILL信号，终止进程
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
	pid_t x = fork();
	if (x == 0) // 售票员进程
	{
		// 设置售票员的信号处理函数
		signal(2, func1);
		signal(3, func3);
		signal(20, SIG_IGN); // 忽略SIGCHLD信号
		signal(10, func6);
		
		while(1); // 持续等待信号
	}
	if (x > 0) // 司机进程
	{
		childpid = x;
		// 设置司机的信号处理函数
		signal(2, SIG_IGN); // 忽略SIGINT信号
		signal(10, func2);
		signal(3, SIG_IGN); // 忽略SIGQUIT信号
		signal(12, func4);
		signal(20, func5);
		
		while(1); // 持续等待信号
	}

	return 0;
}


3.给自己发送信号

        使用 raise(sig) 函数向自己发送信号。

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
	printf("进程开始运行\n");
	sleep(5);
	raise(9);//给自己发送一个信号 9 杀死自己
	printf("进程结束运行\n");
	return 0;
}


4.等待信号

        使用 pause() 函数使进程进入等待状态，直到收到一个信号。

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
	printf("进程%d开始运行\n", getpid());
	
	pause();//多个pause只有一个有效
	
	printf("进程%d结束运行\n", getpid());
	return 0;
}


5.信号集和阻塞

        使用 sigprocmask(how, set, oldset) 函数来设置信号的阻塞状态。

信号集：

        sigset_t mysigset;//信号集

        int sigemptyset(sigset_t *set);//清空信号集

        int sigfillset(sigset_t *set);//将所有信号添加到信号集

        int sigaddset(sigset_t *set, int signum);//添加指定的一个信号到信号集

        int sigdelset(sigset_t *set, int signum);//将指定信号从信号集中删除

阻塞：

        int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

        下面我们就来用一用信号集与阻塞，设计两个进程：

        （1）进程A负责不断向进程B发送信号（排除 SIGSTOP 和 SIGKILL）；
        （2）进程B接收信号，并将每个信号注册到同一个响应函数中，打印信号值。在发送信号之前，进程B阻塞了所有信号，然后进程A发送所有信号，延时5秒后，进程B解除对信号的阻塞。

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>

// 信号处理函数，打印接收到的信号值
void func(int sig)
{
    printf("sig = %d\n", sig);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 定义一个信号集：存放信号
    sigset_t set;

    // 清空信号集
    sigemptyset(&set);

    // 将信号添加到信号集中（排除一些特殊信号）
    for (int i = 1; i < 65; ++i)
    {
        if (i == 9 || i == 19 || i == 32 || i == 33)
        {
            continue;
        }
        sigaddset(&set, i);
    }

    // 创建子进程
    pid_t x = fork();
    if (x > 0) // 父进程
    {
        sleep(1);
        // 向子进程发送各种信号
        for (int i = 1; i < 65; ++i)
        {
            if (i == 9 || i == 19 || i == 32 || i == 33)
            {
                continue;
            }
            kill(x, i);
        }
        // 等待子进程结束
        wait(NULL);
    }
    if (x == 0) // 子进程
    {
        // 为每种信号注册信号处理函数
        for (int i = 1; i < 65; ++i)
        {
            if (i == 9 || i == 19 || i == 32 || i == 33)
            {
                continue;
            }
            signal(i, func);
        }
        // 阻塞所有信号
        sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
        sleep(5); // 让子进程保持阻塞状态一段时间
        // 解除对信号的阻塞
        sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
    }

    return 0;
}

6.发送信号带数据

int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

kill(pid, sig);

union sigval
{
    int sival_int;
    void *sival_prt;
 }

举例：

//定义一个联合体变量，用来存放要发送的数据

union sigval data;

data.sival_int = 100;

//发送信号，带数据

kill(atoi(argv[1]), SIGUSR1);

sigqueue(atoi(argv[1]), SIGUSR1, data);

7 捕捉信号，获取数据

        捕捉一个指定的信号，且可以通过扩展响应函数来获取信号携带的额外数据。

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction

{

        void    (*sa_handler)(int);

        void    (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);

        sigset_t    sa_mask;

        int    sa_flags;

        void     (*sa_restorer)(void);

};

注意：

        sigqueue()函数相当于扩展版的 kill 函数；

        sigaction()函数相当于扩展版的 signal 函数。

举例：

//普通响应函数
void func(int sig)
{
	printf("【%d】 普通响应函数\n", sig);
}

//扩展响应函数
void sac_func(int sig, siginfo_t *siginfo, void *ptr)
{
	//如果是用sigqueue函数发送的信号，那么我们是可以拿到传过来的数据的
	if (siginfo->si_code == SI_QUEUE)
	{
		printf("获取到信号【%d】传过来的数据:%d\n", 
			sig, siginfo->si_int);
	}
}

int main(int argc, char const *argv[])
{	
	printf("pid = [%d]\n", getpid());

	//扩展信号响应函数注册
	struct sigaction act;
	//设置普通响应函数
	act.sa_handler = func;
	//设置扩展响应函数
	act.sa_sigaction = sac_func;
	//设置掩码(可以不设置)
	sigset_t myset;
	sigaddset(&myset, SIGUSR2);
	act.sa_mask = myset;
	//设置响应方式是扩展响应函数方式
	act.sa_flags |= SA_SIGINFO;

	//普通信号响应函数的注册
	// signal(SIGUSR1, func);
	//扩展信号响应函数注册
	sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);

	pause();
	return 0;
}

8.信号的内核数据模型

        信号在操作系统内核中有一个数据模型，用于表示和管理进程间通信的信号。这个数据模型包括信号的产生、传递、处理以及信号控制块等要素。下面就是信号的内核数据模型的介绍：

        信号控制块（Signal Control Block，SCB）： 信号控制块是操作系统内核中用于管理和维护信号信息的数据结构。每个进程都有一个关联的信号控制块，它存储了进程接收到的信号以及相关的处理和状态信息。这个数据结构通常包括以下字段：

  • 信号位图（Signal Bitmap）： 用于表示进程当前处于阻塞状态的信号。每个信号都对应一个位，如果某个信号的位为1，则表示该信号被阻塞。

  • 信号队列（Signal Queue）： 用于存储进程接收到但尚未处理的信号。信号队列采用队列的形式，其中每个节点存储了信号的类型、时间戳以及其他相关信息。

        信号的产生和传递： 信号的产生通常是由特定事件触发，如硬件异常、软件条件等。当这些事件发生时，操作系统内核会将相应的信号发送给相应的进程。信号会按照进程的层次结构向父进程或子进程传递，或者向指定的进程传递。

        信号的处理： 当进程接收到一个信号时，它可以按照事先注册的信号处理方式来响应。这可以通过调用 signal() 或 sigaction() 函数来实现。处理方式可以是忽略信号、执行默认操作、或执行自定义的信号处理函数。在执行信号处理函数期间，进程可以根据信号的类型和处理函数的内容来进行特定的操作，从而实现对信号的处理。

        信号的阻塞和解除阻塞： 进程可以通过阻塞信号来暂时屏蔽某些信号的传递和处理。这在某些情况下很有用，比如在临界区代码中防止特定信号的干扰。进程可以使用 sigprocmask() 函数来设置信号的阻塞状态，以及使用 SIG_BLOCK 和 SIG_UNBLOCK 来分别添加和解除信号的阻塞。

        信号的排队和处理顺序： 对于非实时信号，当多个信号被发送到同一个进程时，它们可能会排队等待被处理。对于实时信号，系统会保证信号按照发送顺序排队，不会发生嵌套。因此，进程需要按照信号排队的顺序来处理它们。

四、总结

         信号作为一种进程间通信的手段，允许进程以异步的方式相互通知。通过掌握信号的基本概念、分类和使用方式，我们可以更好地实现进程间的通信和协调，从而提升系统的整体效率和稳定性。

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