linux信号调用机制
在Linux中,信号是进程间通讯的一种方式,它采用的是异步机制。当信号发送到某个进程中时,操作系统会中断该进程的正常流程,并进入相应的信号处理函数执行操作,完成后再回到中断的地方继续执行。
需要说明的是,信号只是用于通知进程发生了某个事件,除了信号本身的信息之外,并不具备传递用户数据的功能。
1 信号的响应动作
每个信号都有自己的响应动作,当接收到信号时,进程会根据信号的响应动作执行相应的操作,信号的响应动作有以下几种:
- 中止进程(Term)
- 忽略信号(Ign)
- 中止进程并保存内存信息(Core)
- 停止进程(Stop)
- 继续运行进程(Cont)
用户可以通过signal
或sigaction
函数修改信号的响应动作(也就是常说的“注册信号”,在文章的后面会举例说明)。另外,在多线程中,各线程的信号响应动作都是相同的,不能对某个线程设置独立的响应动作。
2 信号类型
Linux支持的信号类型可以参考下面给出的列表。
2.1 在POSIX.1-1990标准中的信号列表
信号 | 值 | 动作 | 说明 |
---|---|---|---|
SIGHUP | 1 | Term | 终端控制进程结束(终端连接断开) |
SIGINT | 2 | Term | 用户发送INTR字符(Ctrl+C)触发 |
SIGQUIT | 3 | Core | 用户发送QUIT字符(Ctrl+/)触发 |
SIGILL | 4 | Core | 非法指令(程序错误、试图执行数据段、栈溢出等) |
SIGABRT | 6 | Core | 调用abort函数触发 |
SIGFPE | 8 | Core | 算术运行错误(浮点运算错误、除数为零等) |
SIGKILL | 9 | Term | 无条件结束程序(不能被捕获、阻塞或忽略) |
SIGSEGV | 11 | Core | 无效内存引用(试图访问不属于自己的内存空间、对只读内存空间进行写操作) |
SIGPIPE | 13 | Term | 消息管道损坏(FIFO/Socket通信时,管道未打开而进行写操作) |
SIGALRM | 14 | Term | 时钟定时信号 |
SIGTERM | 15 | Term | 结束程序(可以被捕获、阻塞或忽略) |
SIGUSR1 | 30,10,16 | Term | 用户保留 |
SIGUSR2 | 31,12,17 | Term | 用户保留 |
SIGCHLD | 20,17,18 | Ign | 子进程结束(由父进程接收) |
SIGCONT | 19,18,25 | Cont | 继续执行已经停止的进程(不能被阻塞) |
SIGSTOP | 17,19,23 | Stop | 停止进程(不能被捕获、阻塞或忽略) |
SIGTSTP | 18,20,24 | Stop | 停止进程(可以被捕获、阻塞或忽略) |
SIGTTIN | 21,21,26 | Stop | 后台程序从终端中读取数据时触发 |
SIGTTOU | 22,22,27 | Stop | 后台程序向终端中写数据时触发 |
注:其中SIGKILL
和SIGSTOP
信号不能被捕获、阻塞或忽略。
2.2 在SUSv2和POSIX.1-2001标准中的信号列表
信号 | 值 | 动作 | 说明 |
---|---|---|---|
SIGTRAP | 5 | Core | Trap指令触发(如断点,在调试器中使用) |
SIGBUS | 0,7,10 | Core | 非法地址(内存地址对齐错误) |
SIGPOLL | Term | Pollable event (Sys V). Synonym for SIGIO | |
SIGPROF | 27,27,29 | Term | 性能时钟信号(包含系统调用时间和进程占用CPU的时间) |
SIGSYS | 12,31,12 | Core | 无效的系统调用(SVr4) |
SIGURG | 16,23,21 | Ign | 有紧急数据到达Socket(4.2BSD) |
SIGVTALRM | 26,26,28 | Term | 虚拟时钟信号(进程占用CPU的时间)(4.2BSD) |
SIGXCPU | 24,24,30 | Core | 超过CPU时间资源限制(4.2BSD) |
SIGXFSZ | 25,25,31 | Core | 超过文件大小资源限制(4.2BSD) |
注:在Linux 2.2版本之前,SIGSYS
、SIGXCPU
、SIGXFSZ
以及SIGBUS
的默认响应动作为Term,Linux 2.4版本之后这三个信号的默认响应动作改为Core。
2.3 其它信号
信号 | 值 | 动作 | 说明 |
---|---|---|---|
SIGIOT | 6 | Core | IOT捕获信号(同SIGABRT信号) |
SIGEMT | 7,-,7 | Term | 实时硬件发生错误 |
SIGSTKFLT | -,16,- | Term | 协同处理器栈错误(未使用) |
SIGIO | 23,29,22 | Term | 文件描述符准备就绪(可以开始进行输入/输出操作)(4.2BSD) |
SIGCLD | -,-,18 | Ign | 子进程结束(由父进程接收)(同SIGCHLD信号) |
SIGPWR | 29,30,19 | Term | 电源错误(System V) |
SIGINFO | 29,-,- | 电源错误(同SIGPWR信号) | |
SIGLOST | -,-,- | Term | 文件锁丢失(未使用) |
SIGWINCH | 28,28,20 | Ign | 窗口大小改变时触发(4.3BSD, Sun) |
SIGUNUSED | -,31,- | Core | 无效的系统调用(同SIGSYS信号) |
注意:列表中有的信号有三个值,这是因为部分信号的值和CPU架构有关,这些信号的值在不同架构的CPU中是不同的,三个值的排列顺序为:1,Alpha/Sparc;2,x86/ARM/Others;3,MIPS。
例如SIGSTOP
这个信号,它有三种可能的值,分别是17、19、23,其中第一个值(17)是用在Alpha和Sparc架构中,第二个值(19)用在x86、ARM等其它架构中,第三个值(23)则是用在MIPS架构中的。
3 信号机制
文章的前面提到过,信号是异步的,这就涉及信号何时接收、何时处理的问题。
我们知道,函数运行在用户态,当遇到系统调用、中断或是异常的情况时,程序会进入内核态。信号涉及到了这两种状态之间的转换,过程可以先看一下下面的示意图:
接下来围绕示意图,将信号分成接收、检测和处理三个部分,逐一讲解每一步的处理流程。
3.1 信号的接收
接收信号的任务是由内核代理的,当内核接收到信号后,会将其放到对应进程的信号队列中,同时向进程发送一个中断,使其陷入内核态。
注意,此时信号还只是在队列中,对进程来说暂时是不知道有信号到来的。
3.2 信号的检测
进程陷入内核态后,有两种场景会对信号进行检测:
- 进程从内核态返回到用户态前进行信号检测
- 进程在内核态中,从睡眠状态被唤醒的时候进行信号检测
当发现有新信号时,便会进入下一步,信号的处理。
3.3 信号的处理
信号处理函数是运行在用户态的,调用处理函数前,内核会将当前内核栈的内容备份拷贝到用户栈上,并且修改指令寄存器(eip)将其指向信号处理函数。
接下来进程返回到用户态中,执行相应的信号处理函数。
信号处理函数执行完成后,还需要返回内核态,检查是否还有其它信号未处理。如果所有信号都处理完成,就会将内核栈恢复(从用户栈的备份拷贝回来),同时恢复指令寄存器(eip)将其指向中断前的运行位置,最后回到用户态继续执行进程。
至此,一个完整的信号处理流程便结束了,如果同时有多个信号到达,上面的处理流程会在第2步和第3步骤间重复进行。
重点理解上图三个部分:信号检测/信号调用/信号处理程序返回。明白怎么从正常进程到信号处理程序再到正常进程的过程。
4 信号的使用
4.1 发送信号
用于发送信号的函数有raise
、kill
、killpg
、pthread_kill
、tgkill
、sigqueue
,这几个函数的含义和用法都大同小异,这里主要介绍一下常用的raise
和kill
函数。
raise函数:向进程本身发送信号
函数声明如下:
#include <signal.h> int raise(int sig);
函数功能是向当前程序(自身)发送信号,其中参数sig
为信号值。
kill函数:向指定进程发送信号
函数声明如下:
#include <sys/types.h>
#include <signal.h> int kill(pid_t pid, int sig);
函数功能是向特定的进程发送信号,其中参数pid
为进程号,sig
为信号值。
在这里的参数pid
,根据取值范围不同,含义也不同,具体说明如下:
- pid > 0 :向进程号为pid的进程发送信号
- pid = 0 :向当前进程所在的进程组发送信号
- pid = -1 :向所有进程(除PID=1外)发送信号(权限范围内)
- pid < -1 :向进程组号为-pid的所有进程发送信号
另外,当sig
值为零时,实际不发送任何信号,但函数返回值依然有效,可以用于检查进程是否存在。
4.2 等待信号被捕获
等待信号的过程,其实就是将当前进程(线程)暂停,直到有信号发到当前进程(线程)上并被捕获,函数有pause
和sigsuspend
。
pause函数:将进程(或线程)转入睡眠状态,直到接收到信号
函数声明如下:
#include <unistd.h> int pause(void);
该函数调用后,调用者(进程或线程)会进入睡眠(Sleep)状态,直到捕获到(任意)信号为止。该函数的返回值始终为-1,并且调用结束后,错误代码(errno)会被置为EINTR。
sigsuspend函数:将进程(或线程)转入睡眠状态,直到接收到特定信号
函数声明如下:
#include <signal.h> int sigsuspend(const sigset_t *mask);
该函数调用后,会将进程的信号掩码临时修改(参数mask
),然后暂停进程,直到收到符合条件的信号为止,函数返回前会将调用前的信号掩码恢复。该函数的返回值始终为-1,并且调用结束后,错误代码(errno)会被置为EINTR。
4.3 修改信号的响应动作
用户可以自己重新定义某个信号的处理方式,即前面提到的修改信号的默认响应动作,也可以理解为对信号的注册,可以通过signal
或sigaction
函数进行,这里以signal
函数举例说明。
首先看一下函数声明:
#include <signal.h> typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
第一个参数signum
是信号值,可以从前面的信号列表中查到,第二个参数handler
为处理函数,通过回调方式在信号触发时调用。
下面为示例代码:
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h> /* 信号处理函数 */
void sig_callback(int signum) {
switch (signum) {
case SIGINT:
/* SIGINT: Ctrl+C 按下时触发 */
printf("Get signal SIGINT. \r\n");
break;
/* 多个信号可以放到同一个函数中进行 通过信号值来区分 */
default:
/* 其它信号 */
printf("Unknown signal %d. \r\n", signum);
break;
} return;
} /* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[]) {
printf("Register SIGINT(%u) Signal Action. \r\n", SIGINT); /* 注册SIGINT信号的处理函数 */
signal(SIGINT, sig_callback); printf("Waitting for Signal ... \r\n"); /* 等待信号触发 */
pause(); printf("Process Continue. \r\n"); return 0;
}
源文件下载:链接
例子中,将SIGINT
信号(Ctrl+C
触发)的动作接管(打印提示信息),程序运行后,按下Ctrl+C
,命令行输出如下:
./linux_signal_example
Register SIGINT(2) Signal Action.
Waitting for Signal ...
^CGet signal SIGINT.
Process Continue.
进程收到SIGINT
信号后,触发响应动作,将提示信息打印出来,然后从暂停的地方继续运行。这里需要注意的是,因为我们修改了SIGINT
信号的响应动作(只打印信息,不做进程退出处理),所以我们按下Ctrl+C
后,程序并没有直接退出,而是继续运行并将"Process Continue."打印出来,直至程序正常结束。
转载:http://hutaow.com/blog/2013/10/19/linux-signal/
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