15-2.【Linux系统编程】进程信号 - 信号保存（信号处理流程的三种状态：未决、阻塞、递达，信号保存由未决表完成、sigset_t信号集类型及相关函数）

目录

• [3. 保存信号-内核通过 "未决信号集" 为每个进程存储已产生但未处理的信号](#3. 保存信号-内核通过 “未决信号集” 为每个进程存储已产生但未处理的信号)
• • [3.1 信号处理流程中的不同状态](#3.1 信号处理流程中的不同状态)
  • [3.2 信号在内核中的表示](#3.2 信号在内核中的表示)
  • [3.3 sigset_t信号集类型](#3.3 sigset_t信号集类型)
  • [3.4 信号集操作函数](#3.4 信号集操作函数)
  • • [3.4.1 sigprocmask读取或更改进程的信号屏蔽字](#3.4.1 sigprocmask读取或更改进程的信号屏蔽字)
    • [3.4.2 sigpending读取当前进程的未决信号集](#3.4.2 sigpending读取当前进程的未决信号集)
    • [3.4.3 综合测试用例](#3.4.3 综合测试用例)

3. 保存信号-内核通过 "未决信号集" 为每个进程存储已产生但未处理的信号

3.1 信号处理流程中的不同状态

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达 (Delivery)【自定义、默认、忽略】
• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决 (Pending)。【信号不是立即处理的，信号产生到处理之间的状态成为信号未决】（++内核通过 "未决信号集（Pending Set）" 为每个进程存储已产生但未处理的信号++ ）
• 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。（即不让信号未决状态转到递达状态(保持在未决状态)，即不处理信号）（阻塞也称屏蔽）
  • 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++信号忽略是递达动作的一种++。

3.2 信号在内核中的表示

信号在内核中的表示示意图

进程与信号相关的有三张表：[Linux提供信号的操作，就是围绕这三张表展开的]

• pending：unsigned int pending，保存收到的信号的位图，即未决表。比特位的位置：表示的是第几个信号；比特位的内容：是否收到。

• block：unsigned int block，保存信号的阻塞状态的位图，即阻塞表。比特位的位置：表示第几个信号；比特位的内容：是否阻塞。

  • 可被递达的信号：pending & (~block)

• handler：sighandler_t handler[31]，函数指针，数组下标表示信号编号，信号重定义（为指定的信号绑定处理动作）signal()函数的本质就是修改handler表。

  • SIG_DEF：定义即为把0强转成sighandler_t 格式。功能：将信号处理恢复默认动作。

  • SIG_IGN：定义即为把1强转成sighandler_t格式。功能：忽略信号。

    // 用法：
    signal(信号，SIG_DEF)
    signal(信号，SIG_IGN)

    NAME
           signal - ANSI C signal handling
    
    SYNOPSIS
           #include <signal.h>
    
           typedef void (*sighandler_t)(int);
    
           sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

将下表横着看，每一个信号一行。

• 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，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。在上图的例子中，SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。

• SIGINT信号产生过，但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。

• SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。

• 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? POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。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。

// 内核结构 2.6.18
struct task_struct
{
    ...
    /* signal handlers */
    struct sighand_struct *sighand;
    sigset_t blocked struct sigpending pending;
    ...
}

struct sighand_struct
{
    atomic_t count;
    struct k_sigaction action[_NSIG]; // #define _NSIG 64
    spinlock_t siglock;
};

struct __new_sigaction
{
    __sighandler_t sa_handler;
    unsigned long sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void); /* Not used by Linux/SPARC */
    __new_sigset_t sa_mask;
};

struct k_sigaction
{
    struct __new_sigaction sa;
    void __user *ka_restorer;
};

/* Type of a signal handler. */
typedef void (*__sighandler_t)(int);

struct sigpending
{
    struct list_head list;
    sigset_t signal;
};

3.3 sigset_t信号集类型

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，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 。下一节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。

📌信号屏蔽字(Signal Mask)类似权限的umask

3.4 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);	// 初始化信号集为空集: 将参数 set 指向的 sigset_t 变量清空。
int sigfillset(sigset_t *set);	// 初始化信号集为全集: 将参数 set 指向的 sigset_t 变量填充为包含所有可被捕获、阻塞的信号（逻辑上包含所有有效信号）。
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);// 向已初始化的信号集中添加指定信号：将信号编号 signo 对应的信号，加入到 set 指向的信号集中。
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);// 从已初始化的信号集中删除指定信号：将信号编号 signo 对应的信号，从 set 指向的信号集中移除。
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);//判断指定信号是否为信号集的成员：检查信号编号 signo 对应的信号，是否存在于 set 指向的信号集中。

• 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置位，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。

3.4.1 sigprocmask读取或更改进程的信号屏蔽字

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)。

代码块
#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。

3.4.2 sigpending读取当前进程的未决信号集

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。
调用成功则返回0,出错则返回-1

3.4.3 综合测试用例

综合测试用例1：屏蔽信号，再发送信号，观察未决表pending

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <vector>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

void PrintPending(sigset_t &pending)
{
    printf("我是一个进程(%d),pending: ", getpid());
    for(int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
        if(sigismember(&pending, signo))    std::cout << "1";
        else    std::cout << "0";
    }
    std::cout << std:: endl;
}

int main()
{
    // 1.屏蔽2号信号
    sigset_t block, oblock;
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);

    sigaddset(&block, SIGINT);

    // for(int i = 1; i < 31; i++)  // 5.将所有信号屏蔽，并用"kill 信号 pid"测试
    //     sigaddset(&block, i);

    int n = sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);
    (void)n;

    // 4.重复获取打印过程
    while(true)
    {
        // 2.获取pending信号集合
        sigset_t pending;
        int m = sigpending(&pending);

        // 3.打印
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

📌结论：9号信号不可被捕捉，不可被阻塞

综合测试用例2：测试功能在代码结尾注释

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <vector>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

void PrintPending(sigset_t &pending)
{
    printf("我是一个进程(%d),pending: ", getpid());
    for (int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
        if (sigismember(&pending, signo))
            std::cout << "1";
        else
            std::cout << "0";
    }
    std::cout << std::endl;
}

void handler(int sig)
{
    std::cout << "######################" << std::endl;
    std::cout << "递达" << sig << "信号！" << std::endl;
    sigset_t pending;
    int m = sigpending(&pending);
    PrintPending(pending);  // 如果是 0000 0010 则结论为：处理完handler函数再将2号信号置0。
    // 验证结果：0000 0000 ，实际结论为：先给pending未决表的2号信号置0，再执行handler函数。
    std::cout << "######################" << std::endl;
}

int main()
{
    // 补0.对2号信号的功能重定义
    signal(SIGINT, handler);
    // 1.屏蔽2号信号
    sigset_t block, oblock;
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);

    sigaddset(&block, SIGINT);

    // for(int i = 1; i < 31; i++)  // 5.将所有信号屏蔽，并用"kill 信号 pid"测试
    //     sigaddset(&block, i);

    int n = sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);
    (void)n;

    // 4.重复获取打印过程
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        // 2.获取pending信号集合
        sigset_t pending;
        int m = sigpending(&pending);

        // 3.打印
        PrintPending(pending);
        if (cnt == 10)
        {
            // 5.恢复对2号信号的block情况
            std::cout << "解除对2号信号的屏蔽" << std::endl;
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oblock, nullptr);
        }

        sleep(1);
        cnt++;
    }

    return 0;
}

// 前提，执行过程中使用Print函数每秒打印pending未决表
// 1.将2号信号重定义
// 2.将2号信号屏蔽
// 3.运行程序，给进程发送2号信号
// 4.10秒之后对2号信号恢复，即接触屏蔽
// 5.解除之后调用重定义后的2号信号函数
//      5.1 验证先给未决表置0，还是先执行2号信号函数(handler函数中)

📌结论：在递达之前，先清空pending未决表中对应的信号位图：1 → 0