Linux——浅析信号处理

信号及其处理

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信号处理是Unix和LInux系统为了响应某些状况而产生的事件，通常内核产生信号，进程收到信号后采取相应的动作。

例如当我们想强制结束一个程序的时候，我们通常会给它发送一个信号，然后该进程会捕捉到信号，紧接着该进程执行一定操作后最终被终止掉。不仅仅如此，通常下面几种情况

　　①键盘事件（ctrl+c、ctrl+\）

　　②软件条件（alarm定时器超时）

　　③硬件故障（如算术运算执行除以0操作）

　　④终端产生信号  （如进程调用kill（2）函数将信号发送给进程或进程组，或用户执行kill(1)命令向其它进程发送信号）

都会有信号的产生，而对这些产生的信号是需要让进程来处理的，进而信号也被作为进程间通信或修改行为的一种方式，是可明确地由一个进程发送给另一个进程的。一般当一个信号的产生时，我们把它叫作信号生成，对一个信号接收到叫信号捕获。关于信号的捕获例子是比较多的，这里列举平时可能经常遇到的几个，其它可自行查询(~v~虽然比较多）

然后来认识一下这些信号，可用　　kill -l查看

平常最常用的信号

其它信号作用大致如下（前面数字代表信号编号），

 2.ctrl + c 进程终止信号 中断方式终止掉进程
 3. ctrl + \  退出信号，发送 SIGQUIT 信号给前台进程组中的所有进程，终止前台进程并生成 core 文件
 6.异常退出信号    像abort退出等
 7.总线与进程虚拟地址空间未成功连接信号
 8.浮点数异常错误信号
 9.终止进程信号，与kill命令一起，可用来强行杀死进程 如kill-SIGKILL pid（注意，它不可被捕获）
 11 段错误信号
 13.管道破裂信号
 14 闹钟信号
 17 子进程返回给父进程的信号
 19 进程暂停信号 但是它不可以被捕获（和9号信号一样，比较特殊）
 20 发送 SIGTSTP 信号给前台进程组中的所有进程，常用于挂起一个进程。相当于ctrl+z
 23 处理紧急数据信号， 某些数据较为紧急，可使其优先传输。
 29 异步IO信号
 32~33号用作多线程使用，不让用户使用； 编号34之后的信号，是没有限制的，可让我们自己开发使用

针对上面这么多信号，它们都是异步事件的经典实例。同时对进程而言，那些产生信号的事件可能随机产生的。进程不能简单地去测试一个变量（如errno）来判定是否发生了一个信号，而是用一下几种处理方式告诉内核此时应当去执行什么操作：

可通过　man 7 signal命令查看处理的方式，通常进程对收到的信号的处理有以下3种方式

　　① 默认处理方式

对大多数信号而言，系统默认动作是终止进程

　　② 忽略

对到来的信号，不做出反应  但SIGKILL  SIGSTOP不能被忽略。因为它们向内核和超级用户提供了使进程终止和停止的可靠方法。另外就是对一些诸如非法内存引用、除以0等由硬件异常产生的信号进行忽略，那结果则是未定义的）

　　③ 捕获并处理

对到来的信号，通知内核，然后去调用执行我们自己写的用户函数 但是注意SIGKILL 和SIGTOP不能捕获

好，接下来便看看信号处理的一些具体的例子

对信号的操作

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（1）注册信号

注册信号实际是对信号进行三种处理操作，用于告诉当前进程对接收到信号后该去执行什么动作

具体用signal函数来进行操作，它原型如下

头文件：#include <signal.h>

　　 typedef void (*sighandler_t)(int);
　　 sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

    //void(* signal（int signum, void (*handler)(int)))(int)

功能：开始获取信号值为signum的信号，如果获取到该信号，则开始执行handler指向的函数（典型回调函数）
返回值： 调用成功返回原本的信号处理函数指针，失败返回 SIGERR，
SIGERR的宏为 #define SIG_IGN ((sighandler_t)-1)

参数：

　　 signum：指明了所要处理的信号类型，它可以取除了SIGKILL和SIGSTOP外的任何一种信号。

　　 sighandler_t：描述了与信号关联的动作，它可以取以下三种值，如下表：

注：上面这几个信号可传入作signal函数第二个参数，因为它们虽是整型但进行了强转。

这里可以来个例子看看

//比如验证SIG_IGN信号，这样ctrl c就起不了作用了

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

 int main( void)
 {
     signal( SIGINT, SIG_IGN);

     for(int i =0; i< 20; ++i)
     {
         printf( "玩不死我！\n");
         sleep(1);
     }
     return 0;
 }

结果如下：

再看另一个

//验证自定义信号，这样ctrl c 就会去执行 handler 函数

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

 void handler(int s)
 {
     printf( "呃，我被搞死了。SIGNAL =%d\n", s);
     exit(1);
 }
 int main( void)
 {
     __sighandler_t ret;
     ret = signal( SIGINT, handler);

     for(int i =0; i< 20; ++i)
     {
         printf( "玩不死我！\n");
         sleep(1);
     }
     return 0;
 }

结果验证：

上面是几个简单的信号处理，其实信号是异步实现的，当信号到达时，系统会保存当前进程的运行环境，转去执行信号处理函数，当信号处理函数执行完毕，然后再恢复现场，继续往后执行（就好像中断处理一样）。

（2）给进程发送信号

前面的提到的signal函数对收到的信号进行了处理，同时我们也可主动给进程发送信号。具体可以有两种方式，第一个就是用shell命令的方式

　　kill -信号值  pid

一般可以用jobs  去查看有哪些后台进程；而若要将执行程序以后台方式运行，则可在后面加上 &符号（.如/a.out &）。此时，如果当你再用ctrl c想要将该进程终止时 已经无法成功了，因为ctrl + c只能发给前台进程，结束的是前台进程。　这个时候可以用fg +%numid将后台进程调到前台进程(注意：numid是作业号，不是进程pid)，这样便可使用ctrl c了。同时，如果想要将前台执行进程转去后台暂停掉可使用 Ctrl + Z命令，。

好，然后第二种给进程发送信号还可以通过函数的方式：

原型：int kill(int pid, int signum)

功能：用该函数给进程id为pid的进程发送一个信号值为signum的信号
返回值：
成功返回0，失败返回-1
参数解释
signum：信号值，即信号编号
pid：进程id，它可以取以下四种值，如下表：　

顺道提一下进程组：

进程组中通常有若干个进程。 它们可以是用管道连接的进程，可以是fork创建出来的父子进程；这些都属于同一个进程组

来例子继续应用一下~

 /*************************************************************************
   > File Name: 3.c
   > Author: tp
   > Mail:
   > Created Time: Tue 08 May 2018 08:55:26 PM CST
  ************************************************************************/

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <unistd.h>
 #include <signal.h>
 void handler( int s) //自定义函数，验证能否接收信号
 {
     printf( "信号收到！recv_SIG=%d\n", s);
 }
 int main( void)
 {
     signal(SIGUSR1, handler);
     pid_t pid = fork( );
     if( pid == 0)
     {
         sleep(1);
         kill(getppid(), SIGUSR1); //给父进程发送一个自定义信号SIGUSR1，该信号常用于接收发信号
         exit( 0);
     }
     else
     {
         int i =0;
         while( 1)
         {
             printf( "%d 我执行子进程\n", i++);
             sleep(1);  //返回>0 表示还剩多少时间允许其被信号打断
         }
     }
     return 0;
 }

除此之外还有两个函数可以发送信号，可以了解一下

1.int rasie (int signum);  //给自己发送信号
返回值：成功返回0；失败：返回-1

2.int killpig(int gid,int signum); // 给进程组发送信号
返回值：-1，并把error值设为EINTR

同时我们还可以暂停进程，直到进程被信号打断

即int pause(void)函数  值得注意的是它暂停时，会让出cpu，不像while（1）循环

信号的分类

前面，我们列举了这么多信号，它们大致可分为①可靠信号 ②不可靠信号 ③实时信号 ④非实时信号，这样4种信号

不可靠信号:编号为1~31 的信号都是不可靠的信号。由于linux的信号继承自早期的UNIX 信号，所以这些不可靠信号也或多或少也继承了UNIX信号的缺陷即，

　　* 信号处理函数完毕，信号会恢复成按默认处理方式处理（不过现在liunx已经将其改进）

　　* 会出现信号丢失的现象，原因就是此类信号不排队，并且此种情况暂时还没办法解决

可靠信号：34 - 64号信号为可靠的信号。 它不会出现信号丢失，支持排队，信号处理函数执行完毕，不会恢复成缺省的处理方式

实时信号：就是可靠信号（字面意义上感觉实时信号好像要比非实时信号要快，其实不然）

非实时信号：其实就是不可靠信号

（3）SIGALRM信号

这个SIGALRM信号（编号14）在平常的应用中比较广泛。常常用alarm函数来发出SIGALRM信号，来用作报警处理，这个信号也是一个很有用的信号，用它可以来实现一些比较有意思的东西。当然要使用它，还得先来看看这个alarm函数，它原型是

功能：
    当规定的seconds时间到了，给当前进程发送一个SIGALRM信号
返回值：
    成功：如果调用此alarm（）前，进程已经设置了闹钟时间，则返回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0。失败就返回-
参数解释：
 如果second > ：当seconds秒后，触发SIGALRM信号
 如果seconds = ： 表示清除SIGALRM信号

稍稍应用一下

 /*************************************************************************
   > File Name: alarm.c
   > Author: tp
   > Mail:
   > Created Time: Tue 08 May 2018 09:15:53 PM CST
  ************************************************************************/

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

 void handler( int s)
 {
     printf( "\n很可惜，时间到了!\n");
     exit( 1);
 }
 int main( void)
 {
     char buff[ 100]={ };
     printf( "输入字符串:");

     signal(SIGALRM, handler); //收到SIGALRM信号时，执行handler函数
     alarm( 3);   //设置3秒的警报时间，时间一到便发出SIGALRM信号
     scanf("%s", buff);
     alarm(0);  //清除闹钟
     printf( "收到：%s\n", buff);
     while( 1)
     {
         printf( "6 ");
         fflush( stdout);
         sleep( 1);
     }
     return 0;
 }

信号阻塞

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实际执行信号的处理动作称为信号抵达(delivery)，信号从产生到抵达之间的状态，称为信号未决(pend)。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后才执行后续的抵达动作。 信号阻塞和上面所述的信号忽略是不相同的。信号只要被阻塞时，它就不会抵达；而信号忽略则是在抵达之后可选的一种处理动作。

 

同时，每个信号都有两个标志比特位来分别表示阻塞(blocking) 和 未决(pending)。还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号抵达才消除该标志.

如上图的SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它抵达时执行默认处理动作。 而SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前是不能忽略这个信号的，因为进程仍有机会在改变处理动作之后再解除阻塞，然后接着来处理。SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。

 

如果在进程在阻塞某信号时，该信号产生过多次，Liunx这样实现的：常规信号在抵达之前产生多次只计一次，而实时信号在递达之前 产生多个信号可以依次放在一个队列里。 每个信号只有一个bit的未决标志，非0既1，这个地方不记录该信号产生了多少次。同样，未决标志也是这样表示的。因此呢，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储，sigset_t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，而在未决信号集中类似。 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字.

 

主要的信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示 "有效"或者"无效"
头文件：#include<signal.h>

①int sigemptyset(sigset_t *set);
//初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应的bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号.

②int sigfillset(sigset_t *set)；
//初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置位，表示该信号机的有效信号包括系统支持的所有信号.

③int sigaddset(sigset_t *set,int signo);
//在该信号集中添加某种有效信号.

④int sigdelset(sigset_t *set,int signo);
//在该信号集中删除某种有效信号

⑤int sigismemeber(const sigset_t *set,int signo);
//是一个布尔函数，用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号，若包含贼返回1，不包含则返回0，出错返回-1

⑥int sigprocmask(int how,const sigset_t *set,sigset_t *oset);
//读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集) 如果成功返回0 失败返回-1

⑦int sigpending(sigset_t *set);
//读取当前进程的处于阻塞且未决的信号集,通过set参数传出，调用成功则返回0，出错则返回-1.

一个比较经典的例子，应用一下：

 /*************************************************************************
   > File Name: set.c
   > Author: tp
   > Mail:
   > Created Time: Thu 10 May 2018 05:38:50 PM CST
  ************************************************************************/

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

 void printsigset(sigset_t* set)
 {
     int i = 1;
     for(  ; i<= 64; i++) {
         if(sigismember( set,i))//判定指定信号是否在目标集合中
             putchar( '1');
         else
             putchar( '0');
     }
     printf( "\n");
 }

 int main( )
 {
     sigset_t s ,p;  //定义信号集对象s,p, s用作初始化的参数
     sigemptyset(&s) ; //清空进行初始化
     sigaddset(&s, SIGINT);
     sigprocmask(SIG_BLOCK, &s, NULL); //设置阻塞信号集
     while( 1)
     {
         sigpending( &p); //获取未决信号集
         printsigset(&p);
         sleep(1) ;
     }
     return 0;
 }

这个程序的大概意思就是我们阻塞一个信号集，让它一直处于未决状态，并把它里面的信号编号显示出来,比如中途我们加入了一个ctrl+c, 后面信号集里面就会出现这个信号，然后它们还是一直处于未决状态。

与此同时，ctrl c 同样也就无法去终止该程序，这时候我们就可以再用信号处理函数handler_quit来进行解除信号阻塞，其内部sigemptyset函数来对阻塞信号集作清空处理；具体可SIGQUIT信号来进行发起handler_quit调用。

 /*************************************************************************
   > File Name: set.c
   > Author: tp
   > Mail:
   > Created Time: Thu 10 May 2018 05:38:50 PM CST
  ************************************************************************/

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

 void printsigset(sigset_t* set)
 {
     int i = 1;
     for(  ; i<= 64; i++) {
         if(sigismember( set,i))//判定指定信号是否在目标集合中
             putchar( '1');
         else
             putchar( '0');
     }
     printf( "\n");
 }

 void handler_quit( int s)
 {
     sigset_t set;
     sigemptyset( &set);
     sigaddset( &set, SIGINT);
     sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
 }
 int main( )
 {
     signal(SIGQUIT, handler_quit);
     sigset_t s ,p;  //定义信号集对象s,p, s用作初始化的参数
     sigemptyset(&s) ; //清空进行初始化
     sigaddset(&s, SIGINT);
     sigprocmask(SIG_BLOCK, &s, NULL); //设置阻塞信号集
     while( 1)
     {
         sigpending( &p); //获取未决信号集
         printsigset(&p);
         sleep(1) ;
     }
     return 0;
 }

这样，用ctrl + \便可使SIGINT从未决状态恢复，到达抵达状态

特别提醒的是如果一个信号被进程阻塞，它就不会传递给进程，但会停留在待处理状态，当进程解除对待处理信号的阻塞时，待处理信号就会立刻被处理。