【Linux】学习记录_9_信号

9 信号

信号（signal），又称为软中断信号，用于通知进程发生了异步事件，它是Linux系统响应某些条件而产生的一个事件，它是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。

62种信号分为2大类：信号值为1~31的信号属性非实时信号（也称为不可靠信号），它们是从UNIX系统中继承下来的信号，信号值为34~64的信号为实时信号（也被称为可靠信号）。

信号的"值"在 x86、PowerPC 和 ARM平台下是有效的，别的平台的信号值也许不一致。
"描述"中一些情况发生时会产生相应的信号，任何进程都可用kill()函数来产生任何信号。
SIGKILL和SIGSTOP是特殊的信号，不能被忽略、阻塞或捕捉，只能按缺省动作来响应。
信号的响应处理过程如下：
- 若信号被阻塞，那么将信号挂起，不对其做任何处理，等到解除对其阻塞为止。
- 若信号被捕获，那么进一步判断捕获类型，
  - 若设置响应函数，那么执行响应函数；
  - 若设置为忽略，那么直接丢弃该信号。最后才执行信号的默认处理。

Linux 系统中有许多信号，其中前面 31 个信号都有一个特殊的名字，对应一个特殊的事件。

信号值为1~31的信号属性非实时信号，这类信号不支持排队，信号可能会丢失。发送多次相同的信号，进程只能收到一次，也只会处理一次，因此剩下的信号将被丢弃。而实时信号（信号值为34~64的信号）支持排队，发送了多少个信号给进程，进程就会处理多少次。

为什么说信号还有可靠与不可靠呢，这得从信号的处理过程来介绍了：一般来说，一个进程收到一个信号后不会被立即处理，而是在恰当时机进行处理！一般是在中断返回的时候，或者内核态返回用户态的时候（这种情况是比较常见的处理方式）。

也就是说，即使这些信号到来了，进程也不一定会立即去处理它，因为系统不会为了处理一个信号而把当前正在运行的进程挂起，这样的话系统的资源消耗太大了，如果不是紧急信号，是不会立即处理的，所以系统一般都会选择在内核态切换回用户态的时候处理信号。比如有时候进程处于休眠状态，但是又收到了一个信号，于是系统就得把信号储存在进程唯一的PCB（进程控制块）当中。

而非实时信号是不支持排队的，假如此时又有一个信号到来，那么它将被丢弃，这样进程就无法处理这个信号，所以它是不可靠的。对于实时信号则没有这种顾虑，因为它支持排队，信号是不会被丢弃的，这样子每个到来的信号都能得到有效处理。

9.1 信号的处理

生成信号的事件一般可以归为3大类：程序错误、外部事件以及显式请求。

程序错误：零作除数、非法存储访问等，通常是由硬件检测到的，但由内核向发生此错误的那个进程发送相应的信号；
外部事件：用户在终端按下某些键时产生终端生成的信号，当进程超越了CPU或文件大小的限制时，内核会生成一个信号通知进程；
显式请求如：使用kill()函数允许进程发送任何信号给其他进程或进程组。

信号的生成既可以是同步的，也可以是异步的。

同步信号大多数是程序执行过程中出现了某个错误而产生的，由进程显式请求生成的给自己的信号也是同步的。
异步信号是接收进程可控制之外的事件所生成的信号，一般进程无法控制，只能被动接收，因为进程也不知道这个信号会何时发生，只能在发生的时候去处理它。一般外部事件总是异步地生成信号，异步信号可在进程运行中的任意时刻产生，进程无法预期信号到达的时刻，它所能做的只是告诉Linux内核假如有信号生成时应当采取什么行动（这相当于注册信号对应的处理）。

无论是同步还是异步，信号发生时，可以告诉Linux内核采取如下3种动作中的任意一种：

忽略信号。大部分信号都可以被忽略，两个除外：SIGSTOP和SIGKILL绝不会被忽略。
捕获信号。当信号出现时调用信号处理函数，它专门对产生信号的事件作出处理。
让信号默认动作起作用。系统为每种信号规定了一个默认动作，这个动作由Linux内核来完成，有以下几种可能的默认动作：
- 终止进程并且生成内存转储文件，即写出进程的地址空间内容和寄存器上下文至进程当前目录下名为cone的文件中；
- 终止终止进程但不生成core文件。
- 忽略信号。
- 暂停进程。
- 若进程为暂停状态，恢复进程，否则将忽略信号。

9.2 捕获信号

9.2.1 signal()

用于捕获信号，可改变进程中对信号的默认行为，捕获这个信号后，也可以自定义对信号的处理行为。

使用signal()时，需提前设置回调函数，即响应函数，或者设置忽略某个信号，这个过程称为"信号的捕获"。对一个信号的"捕获"可以重复进行，不过signal()函数将会返回前一次设置的信号响应函数指针。

c 复制代码

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

signal是一个带有signum和handler两个参数的函数。 signum指出准备捕获或忽略的信号，handler指出接收到指定的信号后将要调用的函数。

signum是指定捕获的信号，如果指定的是一个无效的信号，或者尝试处理的信号是不可捕获或不可忽略的信号（如SIGKILL），errno将被设置为EINVAL。

handler是一个函数指针，它的类型是 void(*sighandler_t)(int) 类型，拥有一个int类型的参数，这个参数的作用就是传递收到的信号值，返回类型为void。

signal()函数会返回一个sighandler_t类型的函数指针，这是因为调用signal()函数修改了信号的行为，需要返回之前的信号处理行为是哪个，以便让应用层知悉，如果修改信号的默认行为识别则返回对应的错误代码SIG_ERR。

handler需要用户自定义处理信号的方式，当然还可以使用以下宏定义：

SIG_IGN：忽略该信号。
SIG_DFL：采用系统默认方式处理信号。

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

/** 信号处理函数 */
void signal_handler(int sig)            //(3)
{
    printf("\nthis signal number is %d \n",sig);

    if (sig == SIGINT)
    {
        printf("I have get SIGINT!\n\n");
        printf("The signal has been restored to the default processing mode!\n\n");
        /** 恢复信号为默认情况 */
        signal(SIGINT, SIG_DFL);        //(4)
    }
}

int main(void)
{
    printf("\nthis is an singal test function\n\n");

    /** 设置信号处理的回调函数 */
    signal(SIGINT, signal_handler);         //(1)

    while (1)
    {
        printf("waiting for the SIGINT signal , please enter \"ctrl + c\"...\n");
        sleep(1);                           //(2)
    }
    exit(0);
}

9.2.2 sigaction()

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int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
struct sigaction
{
    void     (*sa_handler)(int);/* 是捕获信号后的处理函数，int类型的参数传入信号的值 */
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

c 复制代码

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

/** 信号处理函数 */
void signal_handler(int sig)                    //(1)
{
    printf("\nthis signal number is %d \n",sig);

    if (sig == SIGINT) {
        printf("I have get SIGINT!\n\n");
        printf("The signal is automatically restored to the default handler!\n\n");
        /** 信号自动恢复为默认处理函数 */
    }
}

int main(void)
{
    struct sigaction act;
    printf("this is sigaction function test demo!\n\n");
    /** 设置信号处理的回调函数 */
    act.sa_handler = signal_handler;            //(2)
    /* 清空屏蔽信号集 */
    sigemptyset(&act.sa_mask);                  //(3)
    /** 在处理完信号后恢复默认信号处理 */
    act.sa_flags = SA_RESETHAND;                //(4)
    sigaction(SIGINT, &act, NULL);              //(5)
    while (1)
    {
        printf("waiting for the SIGINT signal , please enter \"ctrl + c\"...\n\n");
        sleep(1);
    }
    exit(0);
}

这里没有在函数中让信号恢复默认处理，因为设置了sa_flags成员变量，在处理完信号后自动恢复默认的处理。
实验使用sa_handler作为信号处理成员变量而不是sa_sigaction。
调用sigemptyset()函数清空进程屏蔽的信号集，在信号处理的时候不会屏蔽任何信号。
设置sa_flags成员变量为SA_RESETHAND，在处理完信号后恢复默认信号处理。
调用sigaction()函数捕获SIGINT信号。

9.3 发送信号相关API函数

9.3.1 kill()

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#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

kill()函数的参数有两个，分别是pid与sig，还返回一个int类型的错误码。

pid的取值如下：
- pid > 1：将信号sig发送到进程ID值为pid指定的进程。
- pid = 0：信号被发送到所有和当前进程在同一个进程组的进程。
- pid = -1：将sig发送到系统中所有的进程，但进程1（init）除外。
- pid < -1：将信号sig发送给进程组号为-pid （pid绝对值）的每一个进程。
sig：要发送的信号值。
函数返回值：
- 0：发送成功。
- -1：发送失败。

进程可调用kill()函数向包括它本身在内的其他进程发送一个信号。如果程序没有发送该信号的权限，对kill函数的调用就将失败，失败的常见原因是目标进程由另一个用户所拥有。因此要想发送一个信号，发送进程必须拥有相应的权限，这通常意味着两个进程必须拥有相同的用户ID（即你只能发送信号给属于自己的进程，但超级用户可以发送信号给任何进程）。

Kill()函数会在失败时返回-1并设置errno变量。失败的原因可能是：

给定的信号无效（errno设置为INVAL）
发送进程权限不够（errno设置为EPERM）
目标进程不存在（errno设置为ESRCH）。

9.3.2 raise()

raise()函数也是发送信号函数， raise()函数只是进程向自身发送信号的，而没有向其他进程发送信号，可以说kill(getpid(),sig)等同于raise(sig)。

9.3.3 alarm()

alarm()也称为闹钟函数，可在进程中设置定时器，当定时器指定的时间seconds到时，它就向进程发送SIGALARM信号。其函数原型如下：

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

如果在seconds秒内再次调用了alarm()函数设置了新的闹钟，则新的设置将覆盖前面的设置，即之前设置的秒数被新的闹钟时间取代。它的返回值是之前闹钟的剩余秒数，如果之前未设闹钟则返回0。特别地，如果新的seconds为0，则之前设置的闹钟会被取消，并将剩下的时间返回。