Linux信号机制探析--信号的保存

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目录

• • [`🐀信号其他相关常见概念 `](#🐀信号其他相关常见概念 )
  • `🦋信号保存`
  • • `🐛阻塞信号`
    • • • • `在内核中的表示`
    • `🦗三张表匹配的操作和系统调用`
    • • • • [`sigset_t `](#sigset_t )
    • [`🐜信号集操作函数 `](#🐜信号集操作函数 )
    • [`🐸sigprocmask （操作block位图）`](#🐸sigprocmask （操作block位图）)
    • • • • 能否屏蔽所有的信号呢？
    • `🐟sigpending（操作pending位图）`
    • `🐍signal系统调用（操作handler表）`

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🐀信号其他相关常见概念

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)

信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。

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,才执行递达的动作.

注意：阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

🦋信号保存

信号到来的时候，如果进程正在处理更重要的事情，暂时不能及时处理该信号，进程会将该信号进行临时保存。临时保存，那保存在哪里呢？

• 保存在进程的PCB中，采用位图数据结构进行保存，称为pending位图。其中，比特位的位置，表示信号的编号，比特位的内容，表示是否收到该信号。
• 发送信号，实际上是OS向进程的PCB的pending位图中写入信号。PCB是内核数据结构，如果用户要更改pending内容，需要通过系统调用。

🐛阻塞信号

在内核中的表示

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block 位图)和未决(pending 位图),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,直到信号递达才清除该标志。

如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?

• Linux是这样实现的：常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。本章不讨论实时信号。
• 其中每一个信号的默认处理是放在handler的函数指针数组里面的，实际上自定义捕捉就是将自己所写的函数的地址与handler中对应的位置的内容替换掉。
• 当一个进程收到一个信号是，即在pengding位图中有该信号，会在block 位图中看该信号是否被阻塞，如果被阻塞，则不会被递达，如果没有被阻塞，就会在handler数组里面查找相对应的方法，将信号递达。
• OS向目标进程发送信号，实际上是向目标进程写入信号。

阻塞 VS 忽略：忽略是信号递达的一种方式，阻塞仅仅是不让指定的信号递达。

阻塞一个信号和是否收到指定信号没有关系。

🦗三张表匹配的操作和系统调用

sigset_t

从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。

因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集（OS提供的）,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"有效"和"无效"的含义是该信号是否处于未决状态。下面将详细介绍信号集的各种操作。 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的"屏蔽"应该理解为阻塞而不是忽略。

🐜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"无效"状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现,从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量,而不应该对它的内部数据做任何解释,比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);  //所有比特位置0
int sigfillset(sigset_t *set);    //所有比特位置1
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);   //指定的比特位置1
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);     //指定的比特位置0
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);   //判断一个信号集的有效信号中是否包含某种 信号，若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1

函数sigemptyset``初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号。

函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置1,表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。

这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember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,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

示例代码：

void Print(sigset_t s)
{
    for(int i = 31;i>=1;i--)
    {
        if(sigismember(&s, i)!=0)
            cout<<"1";
        else 
            cout<<"0";
    }
    cout<<endl;
}
int main()
{
    sigset_t s;

    sigemptyset(&s);  //清零
    
    sigfillset(&s);  //全部置1

    sigaddset(&s, 2);  //给2号bit置1
    
    sigdelset(&s, 2);  //给2号bit位取消置1，置为0

    sigismember(&s, 2);  //判断2号bit位是否为1   返回值为0，则表明不在

    Print(s); //打印pengding位图

    return 0;
}

🐸sigprocmask （操作block位图）

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);

• 返回值:若成功则为0,若出错则为-1 。

• 如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。

• 如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值。
  

  如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,至少将其中一个信号递达。

注意：

• 递达处理的时候会将pending位图中将特定的比特位清0；
• 解除了屏蔽后，是先将block位图中的该信号的比特位置0，然后再递达处理；

能否屏蔽所有的信号呢？

• 根据测试发现，9号信号SIGKILL与19号信号SIGSTOP无法屏蔽，18号信号SIGCONT会做特殊处理（18号信号屏蔽了会让20，21，22号信号解除屏蔽）。

🐟sigpending（操作pending位图）

int sigpending(sigset_t *set);

参数为输出型参数，获取当前进程的pending位图的32个比特位，获取成功返回0，失败返回-1。

示例代码：

• 测试场景：
  1.屏蔽2号信号
  2.获取并打印pengding位图
  3.然后一会儿给目标进程发送2号信号-->不会被递达--->2号信号会在pending位图中
  4.取消对2号信号的阻塞
  5.获取并打印pengding位图

void Print(sigset_t s)
{
    for(int i = 31;i>=1;i--)
    {
        if(sigismember(&s, i)!=0)
            cout<<"1";
        else 
            cout<<"0";
    }
    cout<<endl;
}
int main()
{
    // 1. 屏蔽2号信号
    sigset_t block, oblock;
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);
    sigaddset(&block, 2); // SIGINT --- 没有设置进当前进程的PCB block位图中

    // 1.1 开始屏蔽2号信号，其实就是设置进入内核中
    int n = sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);
    assert(n == 0);
    std::cout << "block 2 signal success" << std::endl;
    std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl;
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        // 2. 获取并且打印进程的pending位图
        sigset_t pending;
        sigemptyset(&pending);
        n = sigpending(&pending);
        assert(n == 0);
        Print(pending);
        
        cnt++;
        //3.给目标进程发送2号信号
        
        // 4. 解除对2号信号的屏蔽
        if (cnt == 20){
            std::cout << "解除对2号信号的屏蔽" << std::endl;
            n = sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &block, &oblock); // 2号信号会被立即递达, 默认处理是终止进程
            assert(n == 0);
        }
        sleep(1);
    }
    
    return 0;
}

🐍signal系统调用（操作handler表）

函数介绍：

• 功能：将系统对于指定信号的默认处理改为自定义方式处理。

• 参数：参数一：信号名称/编号 ；参数二：自定义方法的函数指针（返回值void 参数为int）

• 返回值：返回的是老处理方法。

注意：signal调用完后，不会立即执行handler方法，当收到指定信号的时候才会执行。

示例代码：

// 2号信号的默认处理动作是终止进程
void handler(int sig)  //signo是收到的信号的编号
{
    cout << "receive a signal: " << sig << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler); //signal(SIGINT,handler);
    //signal(2,SIG_IGN); //忽略信号
    while(true)
    {
        cout<<"i am a process,pid:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

测试结果：

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