简述Linux的信号处理

wdmx2025-01-07 11:01

简述Linux的信号处理

背景

工作上有一个需求：希望在程序crash的情况下能够回收内存中的一些数据，将其落到硬盘上，所以研究了一下Signal Handle。

什么是信号？

信号是软件中断，提供了一种处理异步事件的方法，它会中断程序正常执行，然后去执行注册的信号处理函数。例如：终端用户键入中断键，会通过信号机制停止一个程序。在Linux系统下有31种信号（新版可能会有扩展），包括我们熟悉的：SIGINT（Ctrl + C)、SIGSEGV（段错误）、SIGTERM（终止信号）等。

信号状态

  • 信号产生（generation）：硬件异常（除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
  • 信号递送（delivery）：进程可以处理这个信号了
  • 信号未决的（pending）：在信号generation和delivery之间的时间间隔内，信号的状态是pending

可靠信号与不可靠信号

可靠信号：

  • 定义：可靠信号又称为实时信号，信号代码从SIGRTMIN到SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号。

  • 特性：可靠信号支持排队，即如果发送了多个相同的可靠信号到同一进程，这些信号都会被接收并排队等待处理。内核会为每个接收到的可靠信号分配一个sigqueue结构，并注册在进程的未决信号链中，因此不存在信号丢失的问题。

  • 应用：可靠信号通常用于需要确保信号被准确接收和处理的场景，如实时系统、多线程程序等。

不可靠信号：

  • 定义：不可靠信号又称为非实时信号，信号代码从1到32（如SIGHUP到SIGSYS）都是不可靠信号。
  • 特性：不可靠信号不支持排队，即如果发送了多个相同的不可靠信号到同一进程，这些信号可能会被合并或丢弃，只保留一个信号等待处理。此外，不可靠信号在每次处理完之后，通常会恢复成默认处理，这可能是调用者不希望看到的。
  • 应用：不可靠信号通常用于传统的UNIX系统信号处理，如进程终止（SIGINT）、非法内存访问（SIGSEGV）等。

如何产生信号？

很多条件都可以产生信号：

  1. 当用户按某些终端键时，引发终端产生的信号，比如Ctrl + C产生的SIGINT信号
  2. 硬件异常产生信号：除数为0、无效的内存引用等，这些由硬件检测到，并通知内核。内核为该条件发生时正在运行的进程产生适当的信号，例如：SIGSEGV
  3. 进程调用kill函数可将任意信号发送给另一个进程或进程组，不过一些限制：要么发送和接收是同一个所有者，要么发送进程具备超级用户权限
  4. 用户可用kill命令将信号发送给其他进程，只是对kill函数的封装
  5. 进程调用pthread_kill函数可以向任意一个线程发送信号
  6. 当检测到某种软件条件已经发生，并应将其通知有关进程时也产生信号
  7. raise函数

信号处理？

因为产生信号的事件对进程而言是随机出现的，所以进程不能判断怎么时候信号发生了，只能通过系统调用告诉内核"此信号发生时，请执行下列操作"。在某个信号出现时，可以告诉内核按下列3中方式之一进行处理，称之为Signal Handler：

  1. 忽略此信号，不做任何处理，SIGKILL和SIGSTOP是不可忽略的
  2. 捕捉信号，注册一个signal handler函数来处理信号
  3. 执行系统默认动作，大部分系统默认动作时终止进程，有些信号还会产生core文件

捕捉信号

signal函数

signal 是一个用于设置信号处理方式的函数，它允许程序在接收到特定信号时执行自定义的处理函数，或者采用默认的处理方式，也可以选择忽略该信号。

注意事项：

  • 当信号发生后，第二次发生，信号会恢复到系统默认的处理动作上。（测试了Linux系统发现并不是这样的，所以不同的操作系统实现不一样）
  • 信号处理函数应该尽量简单快速，避免执行复杂的操作或长时间的阻塞操作，因为信号可能在任何时候中断程序的执行。
  • 信号处理可能会被其他信号中断，所以在信号处理函数中要考虑到这种情况。
  • 不同的操作系统对信号的处理可能会有所不同，所以在跨平台开发时需要注意兼容性问题。
  • 一旦设置了信号处理函数，它将在程序的整个生命周期内有效，除非再次调用 signal 函数来改变信号的处理方式。

sigaction函数

sigaction函数的功能是检测或修改（或检查并修改）与指定信号相关联的处理动作。

c 复制代码 
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
  • signum：要捕捉的信号的编号。例如，SIGINT 表示中断信号（通常由 Ctrl+C 产生），SIGTERM 表示终止信号等。
  • act：指向一个 struct sigaction 结构体的指针，该结构体包含了要设置的信号处理程序的详细信息。如果此参数为 NULL，则不会更改信号的处理程序，但可以用来获取当前信号的处理程序（通过 oldact 参数）。
  • oldact：指向一个 struct sigaction 结构体的指针，用于存储先前的信号处理程序信息。如果此参数为 NULL，则不保存旧的信号处理程序信息。
c 复制代码 
struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);           // 信号处理函数
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 扩展的信号处理函数
    sigset_t sa_mask;                  // 在处理该信号时要阻塞的其他信号
    int sa_flags;                      // 控制信号处理行为的标志
    void (*sa_restorer)(void);         // 废弃字段（通常不使用）
};

  1. sa_handler：这是一个指向信号处理函数的指针。当某个信号发生时，操作系统会调用这个函数。该函数接受一个 int 类型的参数，表示信号编号（如 SIGINT, SIGTERM 等）。自定义信号处理函数用于处理信号，也可以是特殊值 SIG_DFL（执行该信号的默认处理动作）或 SIG_IGN（忽略该信号）。

  2. sa_sigaction：这是 sa_handler 的一个增强版本，适用于需要获取更详细信号信息的情况。当 sa_flags 中设置了 SA_SIGINFO 标志时，sa_sigaction 会被调用，而不是 sa_handler。它接受三个参数：信号编号、指向 siginfo_t 结构体的指针（提供关于信号的更多详细信息，如信号来源、进程 ID 等）和指向与信号相关的上下文信息的指针（如 CPU 寄存器的状态）。

  3. sa_mask：这是一个 sigset_t 类型的信号集，用于指定在处理当前信号时，应该被阻塞的其他信号。在信号处理程序运行时，sa_mask 中的信号会被暂时阻塞，以防止它们中断当前的信号处理。可以通过 sigemptyset() 清空信号集，或通过 sigaddset() 添加需要阻塞的信号。

  4. sa_flags：这是一组标志位，用于指定信号处理行为。常见的标志位包括：

    1. SA_RESTART：让被信号中断的系统调用自动重启。
    2. SA_SIGINFO：启用 sa_sigaction 处理信号，而非 sa_handler。
    3. SA_NOCLDSTOP：如果信号为 SIGCHLD，当子进程暂停时，不发送此信号。
    4. SA_RESETHAND：当调用信号处理函数时，将信号的处理函数重置为缺省值 SIG_DFL。
    5. SA_NODEFER：在调用信号处理程序时不将本信号添加到进程的信号屏蔽字中。

  5. sa_restorer：这是一个过时的字段，通常不需要设置和使用。它曾经用于指定信号处理函数返回时的清理函数，但现在已经被废弃。

示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void signal_handler(int signum) {
    printf("Caught signal %d\n", signum);
}

int main() {
    struct sigaction act;
    // 指定处理函数
    act.sa_handler = signal_handler;
    // 清空信号掩码，表示不阻塞任何信号
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    // 使用默认标志
    act.sa_flags = 0;
    // 注册 SIGINT 信号的处理程序
    sigaction(SIGINT, &act, NULL);
    // 无限循环，等待信号
    while (1) {
        printf("Waiting for signal...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

阻塞信号

进程可以选用"阻塞信号递送"。如果为进程产生了一个阻塞的信号，而且对该信号的动作是系统默认动作或捕捉该信号，则为该进程将此信号保持为未决状态，直到该进程对此信号解除了阻塞，或者将对此信号的动作更改为忽略。进程可以调用sigpending函数来判断哪些信号是设置为阻塞并处于未决状态。

每个进程都有一个信号屏蔽字（signal mask），它规定了当前要阻塞递送到该进程的信号集。可以使用sigprocmask函数来检测和更改当前的信号屏蔽字。

示例程序：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <setjmp.h>

// 信号处理函数（实际上在这个例子中不会被调用，因为SIGINT被阻塞了）
void handle_sigint(int signum) {
    printf("Caught SIGINT (signal %d), but this should not happen immediately.\n", signum);
}

// 全局变量用于设置jmpbuf，以便在需要时跳出循环
jmp_buf env;

// 另一个信号处理函数，用于设置全局变量并跳出循环（虽然在这个例子中不被直接用于SIGINT）
void handle_sigterm(int signum) {
    longjmp(env, 1);
}

int main() {
    sigset_t block_set, pending_set;
    struct sigaction act;

    // 设置SIGTERM的处理函数为handle_sigterm，以便我们可以优雅地跳出循环
    act.sa_handler = handle_sigterm;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    if (sigaction(SIGTERM, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction SIGTERM");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化jmpbuf，以便在需要时可以跳出循环
    if (setjmp(env) != 0) {
        printf("Received SIGTERM, exiting gracefully.\n");
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    // 将SIGINT加入到阻塞信号集中
    sigemptyset(&block_set);
    sigaddset(&block_set, SIGINT);
    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_set, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask SIGINT");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("SIGINT is now blocked. Waiting for 5 seconds...\n");
    sleep(5);

    // 检查是否有SIGINT信号在等待（在这个例子中，应该不会有，因为我们还没有解除阻塞）
    sigemptyset(&pending_set);
    if (sigpending(&pending_set) == -1) {
        perror("sigpending");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (sigismember(&pending_set, SIGINT)) {
        printf("SIGINT is pending, but this should not happen because it's blocked.\n");
    } else {
        printf("No SIGINT is pending, as expected.\n");
    }

    // 从阻塞信号集中移除SIGINT
    if (sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &block_set, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask SIGINT unblock");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("SIGINT is now unblocked. You can now interrupt the program with Ctrl+C.\n");

    // 无限循环，等待信号（现在SIGINT可以被捕捉到了）
    while (1) {
        printf("Waiting for signals...\n");
        sleep(1);
    }

    // 注意：由于上面的无限循环，下面的代码实际上永远不会被执行到。
    // 为了测试SIGINT的处理，你可以发送SIGTERM信号来跳出循环（例如，使用kill命令）。

    return 0;
}

中断的系统调用

某些系统调用可以被信号中断，系统返回EINTR的errno码，此时需要根据系统调用返回值再次调用系统调用；有一些系统调用支持自动重启动，但是最好不要依赖它，因为各个系统（UNIX、Linux）实现都不一样，并且也很难确定哪些系统调用实现了自动重启动。

Async-signal-safe

Signal Handler中不是所有函数都可以被调用：假设程序正在执行malloc，此时由于捕捉到信号而插入执行该信号处理函数，其中有调用了malloc，这时可能破坏堆内存的维护链表。

Single UNIX Specifications说明了哪些函数可以被信号处理函数调用，这些函数是可重入的并被成为异步信号安全的（async-signal safe）。

多线程与信号处理

参考：https://cloud.tencent.com/developer/news/1260924

关键点：

  1. 每个线程都可以处理信号，操作系统会优先将信号递送给引发信号的线程，所以类似glog的FailureWriter才可以输出crash的backtrace
  2. 每个线程都有自己的阻塞信号集，控制自己响应哪些信号或阻塞哪些信号，API是phtread_sigmask
  3. 每个线程都有自己的未决信号队列，也有共享的未决信号队列（主线程）

实战

不可靠信号，多次产生信号信号处理函数会被重复调用吗？

c 复制代码 
    #include <iostream>
    #include <csignal>
    #include <cstdlib>
    #include <unistd.h>

    void HandleSIGINT(int signum) {
      std::cout << "\n捕获到SIGINT信号，程序即将退出..." << std::endl;
    }

    int main() {
     signal(SIGINT, HandleSIGINT);
      while (1) {
        sleep(1);
      }
    }

运行结果：从运行结果来看，即使signal函数也是支持反复处理信号的，和UNIX的设计还是不一样的。

bash 复制代码 
yunjingguang@walle:~/work/signal$ ./signal_test
^C
捕获到SIGINT信号，程序即将退出...
^C
捕获到SIGINT信号，程序即将退出...
^C
捕获到SIGINT信号，程序即将退出...
^C

信号屏蔽字对不可靠信号是否产生作用？

c 复制代码 
    #include <iostream>
    #include <csignal>
    #include <cstdlib>
    #include <unistd.h>

    void HandleSIGINT(int signum) {
      std::cout << "\n捕获到SIGINT信号，程序即将退出..." << std::endl;
    }

    int main() {
     signal(SIGINT, HandleSIGINT);
     sigset_t block_set;
     sigemptyset(&block_set);
     sigaddset(&block_set, SIGINT);
     if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_set, NULL) == -1) {
         perror("sigprocmask SIGINT");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }

      while (1) {
        sleep(1);
      }
    }

运行结果：看起来已经将SIGINT屏蔽掉了

bash 复制代码 
yunjingguang@walle:~/work/signal$ ./signal_test
^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C^C

解读一下glog的FailureWriter

注册信号处理函数，并且sa_flags是SA_SIGINFO，会进一步输出细节信息：

c 复制代码 
void InstallFailureSignalHandler() {
#ifdef HAVE_SIGACTION
  // Build the sigaction struct.
  struct sigaction sig_action;
  memset(&sig_action, 0, sizeof(sig_action));
  sigemptyset(&sig_action.sa_mask);
  sig_action.sa_flags |= SA_SIGINFO;
  sig_action.sa_sigaction = &FailureSignalHandler;

  for (auto kFailureSignal : kFailureSignals) {
    CHECK_ERR(sigaction(kFailureSignal.number, &sig_action, nullptr));
  }
  kFailureSignalHandlerInstalled = true;
#elif defined(GLOG_OS_WINDOWS)
  for (size_t i = 0; i < ARRAYSIZE(kFailureSignals); ++i) {
    CHECK_NE(signal(kFailureSignals[i].number, &FailureSignalHandler), SIG_ERR);
  }
  kFailureSignalHandlerInstalled = true;
#endif  // HAVE_SIGACTION
}

// Dumps signal and stack frame information, and invokes the default
// signal handler once our job is done.
#if defined(GLOG_OS_WINDOWS)
void FailureSignalHandler(int signal_number)
#else
void FailureSignalHandler(int signal_number, siginfo_t* signal_info,
                          void* ucontext)
#endif
{
  std::call_once(signaled, &HandleSignal, signal_number
#if !defined(GLOG_OS_WINDOWS)
                 ,
                 signal_info, ucontext
#endif
  );
}

Signal Handler的Tips

  1. callback使用C语言的函数指针，保证生命周期的安全性
  2. std::once_flag，解决重入的问题
  3. sem_post是async-signal-safe的，可以在Signal Handler中调用，用于通知其他线程开始收尾
  4. 在信号处理函数中获取pthread id，获得是发生问题的线程的ID，它会中断
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