【Linux系统】信号机制拆解，透过内核三张表深入本质

文章目录

• 一、信号概念
• 二、信号处理
• 三、信号产生
• 四、信号保存

一、信号概念

我们之前提到过System V 信号量，请注意：信号和信号量完全没有关系。

信号，是外部或其他人或硬件给进程发送的一种异步的事件通知机制。

• 异步：指多种事件，彼此不影响，同时发生
• 事件：包括进程终止，异常，指令退出...

通过指令kill -l，可以查到系统中所有的信号种类：

在内核中，信号编号的和名字是用宏定义实现的，所以代码中使用时2和SIGINT是等价的。1 ~ 31信号是普通信号，34 ~ 64是实时信号，本文所谈内容只针对普通信号

最简单的信号产生方式是命令kill -信号编号 进程pid，给指定进程发送一个信号。

进程识别信号，是系统内置的。信号的处理方法，在信号产生之前一定是准备好了的！
信号的完整使用过程是：信号产生、信号保存、信号处理

二、信号处理

我们首先来讲信号处理的方法。

一个信号到来，进程有三种方法处理他：

• 使用默认动作（大部分信号的默认是终止进程）
• 忽略这个信号
• 使用自定义动作

这些信号各自在什么条件下产生，默认的处理动作是什么，在man 7 signal中都能查到。

前两种方式很好理解，如2号信号的默认动作是终止进程，到来时，进程采用他的默认动作：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

重点是自定义动作：
系统调用signal，可以更改当前进程对一个信号的处理动作！

他的第一个参数是想要改变的信号的编号，第二个参数是一个回调函数，即自定义动作！
这个自定义动作函数，必须有一个int参数，返回值为空。被调用时，参数就会自动传入这个信号编号！

第二个参数除了可以自己传，还有两个额外选项：SIG_IGN表示忽视这个信号，SIG_DFL表示采用默认动作。

signal函数的返回值也是一个函数指针，是这个信号的老的处理动作。

值得注意的是，signal函数只要在代码的开头调用一次就行了，整个进程都有效。

演示：

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

void handler(int sig)
{
    printf("接收到了%d号信号\n", sig);
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    while (1)
    {
        printf("%d\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

可以发现，现在发送2号信号无法终止进程了，而是进程执行了自定义动作函数！

如果所有的信号都被自定义动作了，那我们该如何退出进程呢？
其实，9号和19号信号是无法被自定义动作的，称之为"管理员信号"。作用分别是强制终止进程、强制暂停进程。进程无法忽略这两个信号！

还有一个函数sigaction，和signal作用类似，它的操作粒度更细，用法也更多样。

三、信号产生

信号，有五种产生方式：

• 命令kill产生：命令kill -信号编号 进程pid，给指定进程发送一个信号。最简单的一种。
• 用键盘产生：按下ctrl c，表示发送2号信号；按下ctrl \，表示发送3号信号；按下ctrl z，表示发送19号信号，等等。
  2号和3号信号的默认动作是终止进程，19号信号的默认动作是暂停进程。
  当然，这种方式只能控制前台进程，只有前台进程能获取键盘的输入。

除了9号和19号，bash不对自己的任何信号响应，因为都自动忽略了。

• 程序异常崩溃：如果你写下了除0、野指针等非法操作，就会发现程序运行到这里时就会崩溃终止。这是因为程序异常，导致收到了相关信号，如除0会发出8号信号，访问野指针会发出11号信号。
  本质原因是，硬件出错了！OS作为硬件的管理者，他就一定知道。而产生信号的方式有很多种，但最后只有OS能目标进程"写入"信号！

进程的task_struct中，会维护信号位图，OS向其发送信号本质就是写入信号位图！

• 函数产生信号：

  • 函数kill：
    

    这个系统调用很简单，第一个参数是目标进程，第二个参数是发送的信号。

  • 函数raise：
    

    这个函数是向当前调用它的进程发送一个信号。其实等价于kill(getpid(), sig)。kill可以向任意进程发送信号，但raise是向自己发送信号。

  • 函数abort：
    

    函数abort会向当前进程发送6号信号而使进程强制终止，6号信号可以被signal修改动作，但是执行自定义动作后还是会终止程序！

    abort通常用于终止进程，类似于exit，区别在于abort会进行核心转储(Core Dump)，核心转储是程序异常终止时，OS将进程内存内容保存到磁盘的文件，用于事后调试分析崩溃原因。

• 软件条件产生信号：软件条件产生的信号分类和举例有很多，如管道读端关闭时进程终止、alarm。
  alarm是一个用于设置闹钟的函数。它可以让内核在指定的秒数后，向当前进程发14号信号。
  

  它的参数是想要设置的秒数，返回值是上一个闹钟剩余时间。alarm(0)可以取消闹钟

四、信号保存

在这里，我们需要补充几个概念：

• 实际处理信号的动作称为"信号递达"（Deliver）
• 从信号产生到信号递达之间的状态，称为"信号未决"（Pending）
• 信号可以被进程"阻塞"（Block）
• 被阻塞的信号产生后将保持在未决状态，直到进程解除对其的阻塞，信号就会立刻递达！
• 阻塞不等于忽略，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是信号递达后的一种处理动作！

在内核中，信号机制的核心是靠task_struct的三张表完成组织的！

• block表，是一张31位的位图。位的编号是信号编号，位的内容表示该信号是否阻塞！
• pending表，是一张31位的位图。位的编号是信号编号，位的内容表示是否收到该信号！
• handler表，是一个函数指针数组，为信号动作表。数组下标+1为信号编号，SIG_DFL表示执行默认动作，SIG_IGN表示忽略动作！

假设2号信号的block位为1，即被阻塞。当2号信号产生时，pending表第2位会置为1，然后检查block表，如果被阻塞，此时就不能处理2号信号，只有解除阻塞后，才能完成信号递达，pending表第2位恢复为0。

可以在内核源码中看到，用于存储信号的位图是sigset_t类型，而本质是一个unsigned long 类型，我们称sigset_t为信号集，这个类型可以表示每个信号的"有效"和"无效"状态。

block表也叫做阻塞信号集，阻塞信号集也叫做信号屏蔽字（Signal Mask）

系统提供了一些函数用于操作sigset_t变量：

#include <signal.h>
// 清空信号集set，信号全初始化为0
int sigemptyset(sigset_t *set);

// 填满信号集set，信号全设为为1
int sigfillset(sigset_t *set);

// 向信号集set中添加一个指定信号signum，将这一位信号设为1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

// 从信号集set中删除一个指定信号signum，将这一位信号设为0
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

// 检测指定信号signum是否存在于信号集set中。
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

前四个函数都是成功返回0，失败返回-1。sigismember是布尔函数，若包含返回1，不包含返回0，失败返回-1。
在使用sigset_t变量前，一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。

当然，也有相关的函数操作pending表和block表：

• sigpending函数，用来读取当前进程的pending表：
  

  读取的结果会记录到参数set中，很简单

• sigprocmask函数，可以读取或更改当前进程的block表：
  

  第一个参数为更改的方式选项，第二个参数是我们传入的set，第三个参数会记录老的block表。

  第一个参数有如下选项：

  • SIG_BLOCK：当设置为这个值时，表示新增信号屏蔽。set中的信号会添加到block表中
  • SIG_UNBLOCK：当设置为这个值时，表示解除信号屏蔽。set中的信号会从block表中删除
  • SIG_SETMASK：当设置为这个值时，block表会复制set中的全部信号状态

演示：

#include <bits/types/sigset_t.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

void handler(int sig)
{
    printf("接收到了%d号信号\n", sig);
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    sigset_t block_set, old_set;
    sigemptyset(&block_set);
    sigemptyset(&old_set);
    sigaddset(&block_set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_set, &old_set);
    int cnt  = 20;
    while (cnt--)
    {
        sigset_t pending_set;
        sigpending(&pending_set);

        // 打印出pending表的内容
        printf("pid:%d ", getpid());
        printf("当前pending表: ");
        for(int i = 31;i>=1;i--)
        {
            if(sigismember(&pending_set, i))
            {
                printf("1");
            }
            else
            {
                printf("0");
            }
        }
        printf("\n");

        if(cnt == 10)
        {
            // 这时我们解除2号信号的屏蔽
            sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &block_set, NULL);
            printf("2号信号已解除屏蔽\n");
        }
        sleep(1);
    }
    return 0;
}