Linux下的系统编程——信号（十一）

前言：

信号在我们的生活中随处可见， 如：古代战争中摔杯为号；现代战争中的信号弹；体育比赛中使用的信号枪...... 他们都有共性，信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式， 现下依然是主要的通信手段。 Unix 早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T 都对信号模型做了更改，增加 了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1 对可靠信号例程进行了标准化。

目录

一、信号的概念：

1.信号的机制：

2.信号相关的事件：

（1）产生信号：

（2）未决：

（3）递达：

（4）信号处理方式：

（5）阻塞信号集（信号屏蔽字）：

（6）未决信号集：

3.信号的编号:

[4.信号 4 要素](#4.信号 4 要素)

二、信号的产生：

1.终端按键产生信号

2.硬件异常产生信号

[3.kill 函数/命令产生信号](#3.kill 函数/命令产生信号)

4.alarm：

5.setitimer:

三、信号集操作函数：

1.信号集设定

[2.sigprocmask 函数](#2.sigprocmask 函数)

[3.sigpending 函数](#3.sigpending 函数)

四、信号捕捉：

[1.signal 函数](#1.signal 函数)

[***2.sigaction 函数：](#***2.sigaction 函数：)

3.信号捕捉特性:

4.内核实现信号捕捉过程：

五、SIGCHLD

1.SIGCHID的产生条件

[2.借助信号完成 子进程回收](#2.借助信号完成 子进程回收)

六、中断系统调用

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一、信号的概念：

信号在我们的生活中随处可见， 如：古代战争中摔杯为号；现代战争中的信号弹；体育比赛中使用的信号枪...... 他们都有共性：

1. 简单 2. 不能携带大量信息 3. 满足某个特设条件才发送。

信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式， 现下依然是主要的通信手段。

Unix 早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T 都对信号模型做了更改，增加 了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1 对可靠信号例程进行了标准化。

1.信号的机制：

信号的特质：

信号是软件层面上的"中断"。一旦信号产生，无论程序执行到什么位置，必须立即停止运行，处理信号，处理结束，再继续执行后续指令。

所有信号的产生及处理全部都是由【内核】完成的

2.信号相关的事件：

（1）产生信号：

1）. 按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\

2）. 系统调用产生，如：kill、raise、abort

3）. 软件条件产生，如：定时器 alarm

4）. 硬件异常产生，如：非法访问内存(段错误 )、除 0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)

5）. 命令产生，如：kill 命令

（2）未决：

产生与递达之间状态 。 主要由于**阻塞（屏蔽）**导致该状态

（3）递达：

产生并且送达到进程。直接被内核处理掉。

（4）信号处理方式：

执行默认处理动作、忽略、捕捉（自定义）

（5）阻塞信号集（信号屏蔽字）：

本质：位图。用来记录信号的屏蔽状态。一旦被屏蔽的信号，在解除屏蔽前，一直处于未决态。

（6）未决信号集：

本质：位图。用来记录信号的处理状态。该信号集中的信号，表示已经产生，但尚未被处理。

3.信号的编号:

可以使用 kill --l 命令查看当前系统可使用的信号有哪些。

4.信号 4 要素

与变量三要素类似的，每个信号也有其必备 4 要素，**信号使用之前，应先确定其4要素，而后再用！！！**分别是：

1.编号 2. 名称 3. 事件 4. 默认处理动作

默认动作：

Term ：终止进程 Ign： 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)

Core：终止进程，生成 Core 文件。(查验进程死亡原因， 用于 gdb 调试)

Stop ：停止（暂停）进程 Cont：继续运行进程

可通过 man 7 signal 查看帮助文档获取。也可查看:

/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/arch/s390/include/uapi/asm/signal.h

这里特别强调：9) SIGKILL 和 19) SIGSTOP 信号，不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。

另外需清楚，只有每个信号所对应的事件发生了，该信号才会被递送(但不一定递达)，不应乱发信号！！

1. SIGHUP: 当用户退出 shell 时，由该 shell 启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程

2. SIGINT：当用户按下了组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。

3. SIGQUIT：当用户按下组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信号。默认动作为终止进程。

4. SIGILL：CPU 检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生 core 文件

5)SIGTRAP：该信号由断点指令或其他 trap 指令产生。默认动作为终止里程 并产生 core 文件。

6. SIGABRT: 调用 abort 函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生 core 文件。

7)SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生 core 文件。

8. SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为 0 等所有的算法错误。 默认动作为终止进程并产生 core 文件。

9)SIGKILL ：无条件终止进程 。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了 可以杀死任何进程的方法。

10)SIGUSE1：用户定义 的信号 。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。

11. SIGSEGV：指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生 core 文件。

12. S IGUSR2：另外一个用户自定义信号 ，程序员可以在程序中定义并使用该信号**。默认动作为终止进程。**

13. SIGPIPE：Broken pipe 向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程

14)SIGALRM : 定时器超时 ，超时的时间 由系统调用 alarm 设置。默认动作为终止进程。

15)**SIGTERM：**程序结束信号，与 SIGKILL 不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。 执行 shell 命令 Kill 时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。

16. SIGSTKFLT：Linux 早期版本出现的信号，现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。

17)SIGCHLD ：子进程状态发生变化时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。

18. SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。

19. SIGSTOP：停止进程的执行。信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为暂停进程。

20. SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。按下组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。

21. SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。

22. SIGTTOU: 该信号类似于 SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。

23. SIGURG：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出些信号，报告有紧急数据到达。如网络带外 数据到达，默认动作为忽略该信号。

24. SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的 CPU 时间 ，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为 终止进程。

25. SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。

26. SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于 SIGALRM，但是该信号只计算该进程占用 CPU 的使用时 间。默认动作为终止进程。

27. SGIPROF：类似于 SIGVTALRM，它不公包括该进程占用 CPU 时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止 进程。

28. SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。

29. SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步 IO 事件。默认动作为忽略。

30. SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。

31. SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生 core 文件。

二、信号的产生：

1.终端按键产生信号

Ctrl + c → 2) SIGINT（终止/中断） "INT" ----Interrupt

Ctrl + z → 20) SIGTSTP（暂停/停止） "T" ----Terminal 终端。

Ctrl + \ → 3) SIGQUIT（退出）

2.硬件异常产生信号

除 0 操作 → 8) SIGFPE (浮点数例外) "F" -----float 浮点数。

非法访问内存 → 11) SIGSEGV (段错误)

总线错误 → 7) SIGBUS

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a = 10;

	int b = a / 0;    //除0操作

	return 0;
}

3.kill 函数/命令产生信号

int kill（pid_t pid, int signum）

参数：

pid: > 0:发送信号给指定进程

= 0：发送信号给跟调用kill函数的那个进程处于同一进程组的进程。

< -1: 取绝对值，发送信号给该绝对值所对应的进程组的所有组员。

= -1：发送信号给，有权限发送的所有进程。

signum：待发送的信号

返回值：

成功： 0

失败： -1 errno

4.alarm：

alarm 函数：使用自然计时法。

每个进程都有且只有唯一个定时器

定时发送SIGALRM给当前进程。

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

seconds：定时秒数

返回值：上次定时剩余时间。

无错误现象，调用一定会成功 。

alarm（0）： 取消闹钟，返回旧闹钟余下秒数。

time 命令 ： 查看程序执行时间。

实际时间 = 用户时间 + 内核时间 + 等待时间 。 --》优化瓶颈 IO

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

int main()
{
	int i;
	alarm(1);

	for(i = 0;;i++)
		printf("%d\n",i);

	return 0;
}

重定向到out，忽视等待时间

5.setitimer:

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

参数：

which：

ITIMER_REAL： 采用自然计时。 ------> SIGALRM

ITIMER_VIRTUAL: 采用用户空间计时 ------> SIGVTALRM

ITIMER_PROF: 采用内核+用户空间计时 ------> SIGPROF

new_value：定时秒数

 类型：struct itimerval {

          struct timeval {
               	time_t      tv_sec;         /* seconds */
               	suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */

          }it_interval;    ---> 周期定时秒数

          struct timeval {
               	time_t          tv_sec;         
               	suseconds_t     tv_usec;        

          }it_value;       ---> 第一次定时秒数  
    };

old_value：传出参数，上次定时剩余时间。

e.g.

struct itimerval new_t;

struct itimerval old_t;

new_t.it_interval.tv_sec = 0;

new_t.it_interval.tv_usec = 0;

new_t.it_value.tv_sec = 1;

new_t.it_value.tv_usec = 0;

int ret = s etitimer(&new_t, &old_t); 定时1秒

返回值：

成功： 0

失败： -1 errno

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>

void myfunc(int signo)
{
	printf("hello world\n");
}

int main(void)
{
	struct itimerval it, oldit;

	signal(SIGALRM, myfunc);   //注册SIGALRM信号的捕捉处理函数。

	it.it_value.tv_sec = 2;
	it.it_value.tv_usec = 0;

	it.it_interval.tv_sec = 5;
	it.it_interval.tv_usec = 0;

	if(setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oldit) == -1){
		perror("setitimer error");
		return -1;
	}

	while(1);

	return 0;
}

三、信号集操作函数：

1.信号集设定

sigset_t set; 自定义信号集

int sigemptyset(sigset_t *set); 将某个信号集清 0 成功：0；失败：-1

int sigfillset(sigset_t *set); 将某个信号集置 1 成功：0；失败：-1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum); 将某个信号加入信号集 成功：0；失败：-1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum); 将某个信号清出信号集 成功：0；失败：-1

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

判断某个信号是否在信号集中 返回值：在集合：1；不在：0； 出错：-1

2.sigprocmask 函数

用来屏蔽信号 、解除屏蔽也使用该函数。其本质，读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB 中)

严格注意，屏蔽信号：只是将信号处理延后执行(延至解除屏蔽)；而忽略表示将信号丢处理。

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

成功：0；失败：-1，设置 errno

参数： set：传入参数，是一个位图，set 中哪位置 1，就表示当前进程屏蔽哪个信号。

oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽集。

how 参数取值： 假设当前的信号屏蔽字为 mask

1. SIG_BLOCK: 当 how 设置为此值，set 表示需要屏蔽的信号。相当于 mask = mask|set

2. SIG_UNBLOCK: 当 how 设置为此，set 表示需要解除屏蔽的信号。相当于 mask = mask & ~set

3. SIG_SETMASK: 当 how 设置为此，set 表示用于替代原始屏蔽及的新屏蔽集。相当于 mask = set 若，调用 sigprocmask 解除了对当前若干个信号的阻塞，则在 sigprocmask 返回前，至少将其中一 个信号递达。

3.sigpending 函数

读取当前进程的未决信号集

int sigpending(sigset_t *set);

set 传出的未决信号集。

返回值：成功：0；失败：-1， 设置 errno

练习：编写程序。把所有常规信号的未决状态打印至屏幕。

内核通过读取未决信号集来判断信号是否应被处理。信号屏蔽字 mask 可以影响未决信号集。而我们可以在应 用程序中自定义 set 来改变 mask。已达到屏蔽指定信号的目的。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

void print_set(sigset_t *set)
{
	int i;
	for(i = 1;i < 32;i++){
		if(sigismember(set,i))
			putchar('1');
		else 
			putchar('0');
	}
	printf("\n");
}

int main(int argc,char *argv[])
{
	sigset_t set,oldset,pedset;

	int ret = 0;

	sigemptyset(&set);
	sigaddset(&set,SIGINT);    //设置Ctrl^C的阻塞
	sigaddset(&set,SIGQUIT);   //设置Ctrl^\的阻塞
    sigaddset(&set,SIGKILL);   //设置总线的阻塞
	sigaddset(&set,SIGBUS);    //设置总线的阻塞

	ret = sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
	if(ret == -1)
		sys_err("sigprocmask error");
	
	while(1){
		ret = sigpending(&pedset);
		if(ret == -1)
			sys_err("sigpending error");

		print_set(&pedset);
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

*四、信号捕捉：

1.signal 函数

注册一个信号捕捉函数：

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

该函数由 **ANSI 定义，**由于历史原因在不同版本的 Unix 和不同版本的 Linux 中可能有不同的行为。因此应该尽量避免使用它，取而代之使用 sigaction 函数。

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

能看出这个函数代表什么意思吗？ 注意多在复杂结构中使用 typedef

signal信号捕捉：

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

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

void sig_cath(int signo)
{
	printf("cath you!!! %d\n",signo);
	return ;
}
int main(int argc,char *argv[])
{

	signal(SIGINT,sig_cath); //创建Ctrl^C信号捕捉


	while(1);

	return 0;
}

***2.sigaction 函数：

修改信号处理动作（通常在 Linux 用其来注册一个信号的捕捉函数）

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

成功：0；失败：-1，设置 errno

参数：

act：传入参数，新的处理方式。

oldact：传出参数，旧的处理方式。 【signal.c】

struct sigaction 结构体

 struct sigaction {

       void (*sa_handler)(int);

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

       sigset_t sa_mask;

       int sa_flags;

       void (*sa_restorer)(void);

};

sa_restorer：该元素是过时的，不应该使用，POSIX.1 标准将不指定该元素。(弃用) sa_sigaction：当 sa_flags 被指定为 SA_SIGINFO 标志时，使用该信号处理程序。(很少使用)

重点掌握：

① sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为 SIG_IGN 表忽略 或 SIG_DFL 表执行默 认动作

② sa_mask: 调用信号处理函数时，所要屏蔽的信号集合(信号屏蔽字)。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽 生效，是临时性设置。

③ sa_flags：通常设置为 0，表使用默认属性。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

void sig_catch(int signo)                   // 回调函数
{
    if (signo == SIGINT) {
        printf("************catch you!! %d\n", signo);
        sleep(1);
    }
    
    else if (signo == SIGQUIT)
        printf("-----------catch you!! %d\n", signo);
    
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act, oldact;

    act.sa_handler = sig_catch;         //    设置回调函数
    sigemptyset(&(act.sa_mask));        //    清空sa_mask屏蔽字, 只在sig_catch工作时有效
    act.sa_flags = 0;                   //    默认值
    
    int ret = sigaction(SIGINT, &act, &oldact);     //注册信号捕捉函数
    if (ret == -1)
        sys_err("sigaction error");
    ret = sigaction(SIGQUIT, &act, &oldact);     //注册信号捕捉函数

    while (1);

	return 0;
}

3.信号捕捉特性:

1. 捕捉函数执行期间，信号屏蔽字由 mask --> sa_mask , 捕捉函数执行结束。 恢复回mask

2. 捕捉函数执行期间，本信号自动被屏蔽(sa_flgs = 0).

3. 捕捉函数执行期间，被屏蔽信号多次发送，解除屏蔽后只处理一次！

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

void sig_catch(int signo)                   // 回调函数
{
    if (signo == SIGINT) {
        printf("************catch you!! %d*********\n", signo);
        sleep(10);
    }
   /* 
    else if (signo == SIGQUIT)
        printf("-----------catch you!! %d\n", signo);
    */
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act, oldact;

    act.sa_handler = sig_catch;         //  设置回调函数
    sigemptyset(&(act.sa_mask));        //  清空sa_mask屏蔽字, 只在sig_catch工作时有效
    act.sa_flags = 0;                   //  默认值
    
    int ret = sigaction(SIGINT, &act, &oldact);     //注册信号捕捉函数
    if (ret == -1)
        sys_err("sigaction error");
    //ret = sigaction(SIGQUIT, &act, &oldact);     //注册信号捕捉函数

    while (1);

	return 0;
}

4.内核实现信号捕捉过程：

五、SIGCHLD

1.SIGCHID的产生条件

子进程终止时

子进程接收到SIGSTOP信号停止时

子进程处于停止状态，接受到 SIGCONT 后唤醒时

2.借助信号完成 子进程回收

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

void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}

void catch_child(int signo)
{
    pid_t wpid;
    int status;

    //while((wpid = wait(NULL)) != -1) {
    while((wpid = waitpid(-1, &status, 0)) != -1) {         // 循环回收,防止僵尸进程出现.
        if (WIFEXITED(status))
            printf("---------------catch child id %d, ret=%d\n", wpid, WEXITSTATUS(status));
    }

    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t pid;
//阻塞
    int i; 
    for (i = 0; i < 15; i++)
        if ((pid = fork()) == 0)                // 创建多个子进程
            break;

    if (15 == i) {
        struct sigaction act;

        act.sa_handler = catch_child;           // 设置回调函数
        sigemptyset(&act.sa_mask);              // 设置捕捉函数执行期间屏蔽字
        act.sa_flags = 0;                       // 设置默认属性, 本信号自动屏蔽

        sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);         // 注册信号捕捉函数
//解除阻塞

        printf("I'm parent, pid = %d\n", getpid());

        while (1);

    } else {
        printf("I'm child pid = %d\n", getpid());
        return i;
    }

    return 0;
}

解决方法：

void catch_child(int signo)
{
	pid_t wpid;
	while((wpid = wait(NULL)) != -1){    //循环回收，防止僵尸进程出现
		printf("**********catch child id **********%d\n",wpid);
	}
	return ;
}

六、中断系统调用

系统调用可分为两类：慢速系统调用和其他系统调用。

1. 慢速系统调用：可能会使进程永远阻塞的一类。如果在阻塞期间收到一个信号，该系统调用就被

中断,不再 继续执行(早期)；也可以设定系统调用是否重启。如，read、write、pause、wait...

2. 其他系统调用：getpid、getppid、fork...

结合 pause，回顾慢速系统调用：

慢速系统调用被中断的相关行为，实际上就是 pause 的行为： 如，read

① 想中断 pause，信号不能被屏蔽。

② 信号的处理方式必须是捕捉 (默认、忽略都不可以)

③ 中断后返回-1， 设置 errno 为 EINTR(表"被信号中断")

可修改 sa_flags 参数来设置被信号中断后系统调用是否重启。SA_INTERRURT 不重启。 SA_RESTART 重启。