Linux —— 信号阻塞

一，信号内核表示

sigset_t

sigprocmask

sigpending

二，捕捉信号

sigaction

三，可重入函数

四，volatile

五，SIGCHLD

信号常见概念

实际执行信号的处理动作，称为信号递达Delivery；
信号从产生到递达的状态，称为信号未决Pending；
进程可选择阻塞某个信号；
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，才会执行递达动作；
阻塞和忽略是不同的，信号被阻塞就不会递达，忽略是递达后可选的一种处理动作；

一，信号内核表示

每个信号都有两个标志：阻塞、未决，及一个函数指针表示的动作；信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志；
- SIGHUP信号，未产生也未阻塞，如递达时将执行默认动作；
- SIGINT信号，产生过但被阻塞，暂时不能递达，处理动作为忽略；
- SIGQUIT信号，未产生，如产生将被阻塞，处理动作为用户自定义函数；如该信号在阻塞前产生多次，POSIX允许系统递送该信号一次或多次，Linux常规信号在递达前产生多次只计一次，而实时信号在递达前产生多次可依次放在一个队列内；

sigset_t

每个信号只有一个bit的未决标志，0或1，不记录该信号产生的次数；阻塞标志也是如此；
未决和阻塞标志可用相同的数据类型sigset_t来存储，sigset_t称为信号集；该类型可表示每个信号的有效或无效；

//信号集操作函数
//在使用sigset_t类型的变量之前，一定要调用sigempty或sigfillset初始化，以使信号集处于确定状态；
//初始化后，即可调用sigaddset和sigdelset在信号集中添加或删除某种有效信号；
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t* set) //初始化信号集，使所有信号对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号；
int sigfillset(sigset_t* set) //初始化信号集，使所有信号对应bit清零，表示该信号集的有效信号；
int sigaddset(sigset_t* set, int signo)
int sigdelset(sigset_t* set, int signo)
int sigismember(const sigset_t* set, int signo)

sigprocmask

此函数可读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）；

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t* set, sigset_t* oset);

如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oset和set都是非空指针，则先将原来的信号屏蔽字备份到oset，然后根据set和how更改信号屏蔽字；
如当前信号屏蔽字为mask，则下表说明了how参数的可选值；

如调用此函数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；

sigpending

检测未决信号；

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

#include <iostream>    
#include <signal.h>    
#include <unistd.h>    
using namespace std;    
    
void show_pending(sigset_t* pending){    
    for(int i=1; i<32; i++){    
        if(sigismember(pending, i))    
            cout<<"1";    
        else    
            cout<<"0";    
    }    
    cout<<endl;    
}    
    
int main()    
{    
    sigset_t in, out;    
    sigemptyset(&in);    
    sigemptyset(&out);    
    sigaddset(&in, 2);    
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &in, &out);    
    
    int count=0;    
    sigset_t pending;    
    while(1){    
        sigpending(&pending);    
        show_pending(&pending);    
        sleep(1);    
        if(count==10){    
          sigprocmask(SIG_SETMASK, &out, &in); //恢复2号信号后， 2信号立即递达并执行默认操作  
          cout<<"my: ";    
          show_pending(&in);    
          cout<<"recover default: ";    
          show_pending(&out);    
        }    
        count++;                                                                                                 
    }    
    return 0;    
}

[wz@192 Desktop]$ g++ test.cpp -o test
[wz@192 Desktop]$ ./test 
0000000000000000000000000000000
0000000000000000000000000000000
0000000000000000000000000000000
^C0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000
0100000000000000000000000000000

二，捕捉信号

如信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用该函数，称为捕捉信号；由于信号处理函数的代码在用户空间，处理过程比较复杂；如，用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler，当前正在执行main函数，此时发生中断或异常，切换达到内核态；在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达；内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程；sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态；如没有新的信号递达，再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行；

sigaction

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如这种信号再次产生，那么会被阻塞到当前处理结束为止；

如在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字；

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

void handler(int signo){
    cout<<"get a signo: "<<signo<<endl;
    exit(10);
}

int main(){
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    //act.sa_restorer = nullptr;
    //act.sa_sigaction = nullptr;
    sigaction(SIGINT, &act, &oact);
    while(1){
        cout<<"running..."<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

用户态，内核态；用户态需通过系统调用来访问内核数据，调用系统调用时系统会自动切换身份；CPU会存在一个权限相关的寄存器数据，标识所处状态；每个用户进程都有自己的用户级页表，而OS只有一份内核页表；由于用户态和内核态的权限级别不同，所能看到的资源也是不一样的；

实时信号，不会丢失，会排队执行；

三，可重入函数

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

void show(int signo){
    int i=0;
    while(i<5){
        cout<<"show(), signo: "<<signo<<endl;
        i++;
        sleep(1);
    }
}

void handler(int signo){
    cout<<"handler calling..."<<endl;
    show(signo);
}

int main(){
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaction(SIGINT, &act, &oact);
    show(999);
    return 0;
}

[wz@192 Desktop]$ ./test
show(), signo: 999
show(), signo: 999
show(), signo: 999
^Chandler calling...
show(), signo: 2
show(), signo: 2
show(), signo: 2
show(), signo: 2
show(), signo: 2
show(), signo: 999
show(), signo: 999

像以上，insert插入函数被不同控制流调用，可能在第一次调用还没返回时，就再次进入该函数，称为重入；insert函数访问一个全局链表，有可能因为插入而造成错乱，像这样的函数称为不可重入函数；反之，如一函数只访问自己的局部变量或参数，称为可重入函数；所学的大部分函数都是不可重入的；

如函数符合以下条件之一，则是不可重入：

调用了malloc或free，因malloc也是也是用全局链表来管理堆的；
调用了标准I/O函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构；

四，volatile

C语言关键字，保持内存的可见性；

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

int flag=0;
void handler(int signo){
    flag=1;
    printf("handler calling, get signo: %d\n", signo);
}

int main(){
    signal(2, handler);
    while(!flag); //注意没有循环体
    printf("process quit normal!\n");
    return 0;
}

[wz@192 Desktop]$ gcc -o test test.c 
[wz@192 Desktop]$ ./test
^Chandler calling, get signo: 2
process quit normal!

//优化级别1
[wz@192 Desktop]$ gcc -o test test.c -O1
[wz@192 Desktop]$ ./test
^Chandler calling, get signo: 2
^Chandler calling, get signo: 2
^Chandler calling, get signo: 2

优化后，flag被放在了CPU的寄存器当中，while循环的flag并不是内存中的最新flag；使用volatile关键字修饰变量后，则该变量不允许在被优化，对该该变量的任何操作都必须在真实的内存中进行；

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

volatile int flag=0;
void handler(int signo){
    flag=1;
    printf("handler calling, get signo: %d\n", signo);
}

int main(){
    signal(2, handler);
    while(!flag); //注意没有循环体
    printf("process quit normal!\n");
    return 0;
}

[wz@192 Desktop]$ gcc -o test test.c -O1
[wz@192 Desktop]$ ./test
^Chandler calling, get signo: 2
process quit normal!

五，SIGCHLD

SIGCHLD是第17号信号；进程wait、waitpid函数清理僵死进程，父进程可阻塞等待子进程结束，也可非阻塞查询是否有子进程结束等待清理（轮询）；第一种方式父进程阻塞了，就不能处理自己的工作，第二种方式父进程在处理自己的工作同时还要记得轮询，程序实现复杂；

其实，子进程在终止时会给父进程发送SIGCHLD信号，该信号默认处理动作为忽略，父进程可自定义SIGCHLD信号的处理函数；这样父进程只需专心处理自己的工作，不必关心子进程；子进程终止时通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可；

由于UNIX的历史原因，要想不产生僵死进程，还可在父进程调用sigaction时将SIGCHLD处理动作置为SIG_IGN，这样fork出来的子进程在终止时会自动清理，不会产生僵死进程，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，但这是特例；此方法对于Linux可用，但不保证在其他UNIX系统上都可使用；

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

void handler(int signo){
    printf("father get signo: %d\n", signo);
    pid_t id;
    //可能有多个子进程
    while((id=waitpid(-1,NULL,WNOHANG))>0){
        printf("wait child success: %d\n", id);
    }
    printf("child is quit! %d\n", getpid());
}

int main(){
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t cid;
    if((cid=fork()) == 0){
        printf("child: %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
    }
    while(1){
    printf("father process...!\n");
    sleep(1); //可以提前被唤醒
    }
    return 0;
}

[wz@192 Desktop]$ gcc -o test test.c
[wz@192 Desktop]$ ./test
father process...!
child: 99919
father process...!
father process...!
father get signo: 17
wait child success: 99919
child is quit! 99918
father process...!
father process...!
father process...!
father process...!