《UNIX环境高级编程》(APUE) 笔记第十章 - 信号

10 - 信号

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1. 信号

信号是 软中断 ，信号提供了一种处理异步事件的方法。

当造成信号的事件发生时，为进程 产生 一个信号（或向进程 发送 一个信号）。事件 可以是硬件异常（如除以 \(0\)）、软件条件（如alarm定时器超时）、终端产生的信号或调用 kill 函数。

每个信号都有一个名字，以 \(3\) 个字符 SIG 开头，定义在头文件 <signal.h> 中。信号名都被定义为 正整数常量（信号编号），不存在编号为 \(0\) 的信号（空信号）。

产生信号的事件对进程而言是随机出现的。进程不能简单地测试一个变量（如 errno）来判断是否发生了一个信号，而是必须告诉内核 “在此信号发生时，请执行以下操作” 。当对信号采取了这种操作时，称为向进程 递送 了一个信号。在信号产生和递送的时间间隔内，信号是 未决的 。

内核进行信号处理 有 \(3\) 种方式：

1. 忽略此信号。大多数信号都可用这种方式进行处理，但是 SIGKILL 和 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或停止的可靠方法。
2. 捕捉信号。通知内核在某种信号发生时，调用一个用户函数，在用户函数中可执行用户希望对这种事件进程的处理。不能捕捉 SIGKILL 和 SIGSTOP 信号。
3. 执行系统默认动作。对于大多数信号的系统默认动作是终止该进程。终止+core 表示在进程当前工作目录的core文件中复制了该进程的内存镜像，UNIX系统调试程序使用core文件检查进程终止时的状态。

2. 函数 signal

signal 函数用于设置对应信号的处理方式：

#include <signal.h>
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);
//返回值：若成功，返回 以前 的信号处理配置；若出错，返回 SIG_ERR

\(signo\) 参数是信号名。

\(func\) 的值：

• SIG_IGN ，向内核表示忽略此信号
• SIG_DFL ，表示接收到此信号后的动作是系统默认动作
• （捕捉该信号）接到此信号后要调用的函数（信号处理程序 或叫 信号捕捉函数）的地址

返回值 是一个函数指针，指向在此之前的信号处理程序的指针。

程序启动 时，所有信号的状态都是系统默认或忽略。若 exec 函数被调用，其将原先设置为要捕捉的信号都更改为默认动作，其他信号状态则不变（一个进程原先要捕捉的信号，当其执行一个新程序后，就不能再捕捉了，因为信号捕捉函数的地址很可能在所执行的新程序文件中已无意义）。

进程创建 时，子进程继承父进程的信号处理方式，因为子进程在开始时复制了父进程内存映像。

3. 中断的系统调用

如果进程在执行一个 低速系统调用 而阻塞期间捕捉到一个信号，则该系统调用被中断。

系统调用分成两类：低速系统调用 和 其他系统调用 ，低速系统调用是可能会使进程永远阻塞的一类系统调用。

sigaction 函数使用标志 SA_RESTART 允许应用程序请求重启动被中断的系统调用。

Linux 系统中，当信号处理程序是用 signal 函数时，被中断的系统调用会重启。

自动重启的系统调用包括：ioctl 、read 、readv 、write 、writev 、wait 和 waitpid 。前五个函数只有对低俗设备进行操作时才会被信号中断。而 wait 和 waitpid 在捕捉到信号时总是被中断。

4. 可重入函数

进程捕捉到信号并对其进行处理时，进程正在执行的正常指令序列就被信号处理程序临时中断，它首先执行该信号处理程序中的指令。如果从信号处理程序返回，则继续执行在捕捉到信号时进程正在执行的正常指令序列。但在信号处理程序中，不能判断捕捉到信号时进程执行到何处，所以其结果是不可预知的。

信号处理程序中保证调用安全的函数是 可重入的 并被称为是 异步信号安全的 ，在信号处理操作期间，它会阻塞任何会引起不一致的信号发送。

不可重入函数 的原因：

• 已知它们使用静态数据结构
• 它们调用 malloc 或 free
• 他们是标准 I/O 函数（标准I/O库的很多实现都以不可重入方式使用全局数据结构）

5. SIGCLD 语义

在 Linux 中，SIGCLD 等同于 SIGCHLD ，在一个进程终止或停止时，此信号将被送给其父进程。按系统默认，将忽略此信号。

对此信号的 处理方式 是：

• 按系统默认（ SIG_DFL ），SIGCLD 被忽略，则子进程可能产生僵死进程，需父进程对其等待。
• 若 SIGCLD 的配置被设置 SIG_IGN ，则调用进程的子进程终止时丢弃状态，将不产生僵死程序。如果调用进程随后调用一个 wait 函数，那么它将阻塞直到所有子进程都终止，然后该 wait 会返回 \(-1\) ，并将其 errno 设置为 ECHILD 。
• 如果将 SIGCLD 的配置设置为捕捉，则内核检查是否有子进程准备好被等待，如果有，则调用 SIGCLD 处理程序。（若在进程被安排捕捉 SIGCLD 之前已有子进程准备好被等待，此时系统不调用 SIGCLD 信号的处理程序）

6. 函数 kill 和 raise

kill 函数将信号发送给进程或进程组。raise 函数则允许进程向自身发送信号。

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);	//raise(signo) = kill(getpid(), signo)
//两个函数返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

\(pid\) 参数取值：

• \(pid>0\)：将该信号发送给进程 ID 为 \(pid\) 的进程
• \(pid==0\)：将信号发送给与发送进程属于同一进程组的所有进程（不包括系统进程集，即内核进程与init），且发送进程具有权限向这些进程发送信号
• \(pid<0\)：将该信号发送给其进程组ID等于 \(pid\) 绝对值的所有进程（不包括系统进程集），且发送进程具有权限向这些进程发送信号
• \(pid==-1\)：将信号发送给发送进程有权限向它们发送信号的所有进程（不包括系统进程集）

权限：

• 超级用户可将信号发送给任一进程
• 对于非超级用户，基本规则是发送者的实际用户ID或有效用户ID必须等于接受者的实际用户ID或有效用户ID。如果实现 _POSIX_SAVED_IDS ，则检查接收者的保存设置用户ID（而不是有效用户ID）

如果调用 kill 为调用进程产生信号，而且此信号是不被阻塞的，那么在 kill 返回之前，\(signo\) 或者某个其他未决的、非阻塞信号被传送至该进程。

7. 函数 alarm 和 pause

使用 alarm 函数可以设置一个定时器（闹钟时间），在将来的某个时刻该定时器会超时。当定时器超时时，产生 SIGALRM 信号。如果忽略或不捕捉此信号，则其默认动作是终止调用该 alarm 函数的进程：

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//返回值：0 或以前设置的闹钟时间的余留秒数

参数 \(seconds\) 的值是产生信号 SIGALRM 需要经过的时钟秒数。当这一时刻到达时，信号由内核产生。

每个进程只能有一个闹钟时间。如果在调用 alarm 时，之前已为该进程注册的闹钟时间还没有超时，则该闹钟时间的余留值作为本次 alarm 函数调用的值返回。以前注册的闹钟时间则被新值代替。

pause 函数使调用进程挂起直至捕捉到一个信号：

#include <unistd.h>
int pause(void);	//返回值：-1，errno设置为EINTR

只有执行了一个信号处理程序并从其返回，pause 才返回。在这种情况下，pause 返回 \(-1\) ，errno 设置为 EINTR 。

8. 信号集

信号集 能表示多个信号，定义数据类型 sigset_t 以包含一个信号集，并有以下处理信号集的函数：

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);	//初始化由set指向的信号集，清除其中所有信号
int sigfillset(sigset_t *set);	//初始化由set指向的信号集，使其包括所有信号
//所有应用程序使用信号集之前，要对该信号集调用sigemptyset或sigfillset一次
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);	//将一个信号添加到已有的信号集中
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);	//从信号集中删除一个信号
//以上四个函数返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1
int sigimember(const sigset_t *set, int signo);	//判断是否已包含某信号。若真，返回1；若假，返回-1

9. 函数 sigprocmask

一个进程的 信号屏蔽字 ，规定了当前阻塞而不能递送给该进程的信号集。调用函数 sigprocmask 可以检测或更改进程的信号屏蔽字：

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *restrict set, sigset_t *restrict oset);
//返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

若 \(oset\) 是非空指针，那么进程的当前信号屏蔽字通过 \(oset\) 返回。

若 \(set\) 是一个非空指针，则参数 \(how\) 指示如何修改当前信号屏蔽字。

在调用 sigprocmask 后如果有任何未决的、不再阻塞的信号，则在此函数返回前，至少将其中之一递送给该进程。

sigprocmask 是仅为单线程进程定义的。

10. sigpending

sigpending 函数返回一信号集，对于调用进程而言，其中的各信号是 阻塞不能递送 的，因而也一定是当前未决的。该信号通过 \(set\) 参数返回：

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);	//返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

11. 函数 sigaction

sigaction 函数的功能是检查或修改与指定信号相关联的处理动作。很多平台都用 sigaction 实现 signal 函数。

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *restrict act, struct sigaction *restrict oact);
//返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

\(signo\) 是要检测或修改其具体动作的信号编号。若 \(act\) 指针非空，则要修改其动作。如果 \(oact\) 指针非空，则系统经由 \(oact\) 指针返回该信号的上一个动作。

关于连续发送同一信号的处理：

若更改后的信号动作是 捕捉函数 而不是 SIG_IGN 或 SIG_DFL ，则调用该信号捕捉函数之前，此信号被添加到进程的信号屏蔽字中，仅当从信号捕捉函数返回时再将进程的信号屏蔽字恢复为原先值。因此保证了在处理一个给定的信号时，如果这种信号再次发生，那么它会被阻塞到对前一个信号的处理结束为止。若同一种信号多次发生，通常并不将它们加入队列，所以如果某种信号在被阻塞时多次发生，其信号处理函数只会被调用一次。

若更改后的信号动作是 捕捉函数 而不是 SIG_IGN 或 SIG_DFL ，则调用该信号捕捉函数之前，此信号被添加到进程的信号屏蔽字中，仅当从信号捕捉函数返回时再将进程的信号屏蔽字恢复为原先值。因此保证了在处理一个给定的信号时，如果这种信号再次发生，那么它会被阻塞到对前一个信号的处理结束为止。

12. 函数 sigsetjmp 和 siglongjmp

信号处理程序中调用 longjmp 有一个问题：当捕捉到一个信号时，进入信号捕捉函数，此时当前信号被自动地加到进程的信号屏蔽字中。这阻止了后来产生的这种信息中断该信号处理程序。如果用 longjmp 跳出信号处理程序，进程的信号屏蔽字可能无法恢复。

信号处理程序使用 sigsetjmp 和 siglongjmp 进行非局部转移：

#include <setjmp.h>
int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savemask);	//返回值：若直接调用，返回0；若从siglongjmp调用返回，则返回非0
void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val);

这两个函数和 setjmp 、longjmp 之间的唯一 区别 是 sigsetjmp 增加了一个参数。如果 \(savemask\) 非 \(0\) ，则 sigsetjmp 在 \(env\) 中保存进程的当前信号屏蔽字。调用 siglongjmp 时，如果非 \(0\) \(savemask\) 的 sigsetjmp 调用已经保存了 \(env\) ，则 siglongjmp 从其中恢复保存的信号屏蔽字。

13. 函数 sigsuspend

sigsuspend 函数在一个原子操作中设置信号屏蔽字，然后使进程休眠：

#include <signal.h>
int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

进程的信号屏蔽字设置为由 \(sigmask\) 指向的值。在捕捉到一个信号或发生了一个会终止该进程的信号之前，该进程被挂起。如果捕捉到一个信号而且从该信号处理程序返回，则 sigsuspend 返回，并且该进程的信号屏蔽字设置为调用 sigsuspend 之前的值。

此函数 没有返回值 ，如果它返回到调用者，则总是返回 \(-1\) ，并将 errno 设置为 EINTER （表示一个被中断的系统调用）。

sigsuspend 函数可用于：

• 保护代码临界区，使其不被特定信号中断（在此功能中起到 pause 作用）
• 等待一个信号处理程序设置一个全局变量
• 实现父、子进程之间的同步

14. 函数 abort

abort 函数的功能是使程序异常终止：

#include <stdlib.h>
void abort(void);

abort 将 SIGABRT 信号发送给调用进程（进程不应忽略此信号）。实质上，abort 函数向主机环境递送一个 未成功终止 的通知。

让进程捕捉 SIGABRT 的意图是：在进程终止之前由其执行所需的清理操作。如果进程并不在信号处理程序中终止自己，当（SIGABRT）信号处理程序返回时，abort 终止该级才能拿，且对所有打开标准 I/O 流的效果应当与进程终止前对每个流调用 fclose 相同。

15. 函数 sleep、nanosleep 和 clock_nanosleep

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds);

此函数调用进程被挂起直到满足下面两个条件之一：

• 已经过了 \(seconds\) 所指定的墙上时钟时间（返回值为 \(0\) ）
• 调用进程捕捉到一个信号并从信号处理程序返回（返回值为未休眠完的秒数）

nanosleep 函数提供了纳秒级的精度：

#include <time.h>
int nanosleep(const struct timespec *reqtp, struct timespec *remtp);

\(reqtp\) 参数用秒和纳秒指定了需要休眠的时间长度。如果某个信号中断了休眠间隔，进程并没有终止，\(remtp\) 参数指向的 timespec 结构就会被设置为未休眠完的时间长度。

clock_nanosleep 函数可使用相对于特定时钟的延迟时间来挂起调用线程：

int clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags, const struct timespec *reqtp, struct timespec *remtp);

\(clock_id\) 参数指定了计算延迟时间基于的时钟。

\(flags\) 参数用于控制延迟是相对的还是绝对的：

• \(flags\) 为 \(0\) 时表示休眠时间是相对的
• 若 \(flags\) 值设置为 TIMER_ABSTIME ，表示休眠时间是绝对的（例如，希望休眠时间到达某个特定的时间）