linux系统编程之信号（四）：信号的捕捉与sigaction函数

时间：2021-04-05 14:42:55

一、内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：
1. 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。
2. 当前正在执行main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。
3. 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。
4. 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。


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   (By default,  the  signal  handler  is invoked on the normal process stack.  It is possible to arrange that the signal handler
 uses an alternate stack; see sigaltstack(2) for a discussion of how to do this and when it might be useful.)


5. sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。
6. 如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

linux系统编程之信号（四）：信号的捕捉与sigaction函数

上图出自ULK。


二、sigaction函数

#include <signal.h>

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);


sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回-1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体：  struct sigaction {
               void     (*sa_handler)(int);
               void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
               sigset_t   sa_mask;
               int        sa_flags;
               void     (*sa_restorer)(void);
           };


将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作，赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号，或者说向内核注册了一个信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然，这也是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用。
当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。


需要注意的是sa_restorer 参数已经废弃不用，sa_handler主要用于不可靠信号（实时信号当然也可以，只是不能带信息），sa_sigaction用于实时信号可以带信息(siginfo_t)，两者不能同时出现。sa_flags有几个选项，比较重要的有两个：SA_NODEFER 和 SA_SIGINFO，当SA_NODEFER设置时在信号处理函数执行期间不会屏蔽当前信号；当SA_SIGINFO设置时与sa_sigaction 搭配出现，sa_sigaction函数的第一个参数与sa_handler一样表示当前信号的编号，第二个参数是一个siginfo_t 结构体，第三个参数一般不用。当使用sa_handler时sa_flags设置为0即可。


 siginfo_t {
               int      si_signo;    /* Signal number */
               int      si_errno;    /* An errno value */
               int      si_code;     /* Signal code */
               int      si_trapno;   /* Trap number that caused
                                        hardware-generated signal
                                        (unused on most architectures) */
               pid_t    si_pid;      /* Sending process ID */
               uid_t    si_uid;      /* Real user ID of sending process */
               int      si_status;   /* Exit value or signal */
               clock_t  si_utime;    /* User time consumed */
               clock_t  si_stime;    /* System time consumed */
               sigval_t si_value;    /* Signal value */
               int      si_int;      /* POSIX.1b signal */
               void    *si_ptr;      /* POSIX.1b signal */
               int      si_overrun;  /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
               int      si_timerid;  /* Timer ID; POSIX.1b timers */
               void    *si_addr;     /* Memory location which caused fault */
               long     si_band;     /* Band event (was int in
                                        glibc 2.3.2 and earlier) */
               int      si_fd;       /* File descriptor */
               short    si_addr_lsb; /* Least significant bit of address
                                        (since kernel 2.6.32) */
           }


需要注意的是并不是所有成员都在所有信号中存在定义，有些成员是共用体，读取的时候需要读取对某个信号来说恰当的有定义的部分。


下面用sigaction函数举个小例子：

 C++ Code 
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    > File Name: process_.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int sig);


int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) < 0)
        ERR_EXIT("sigaction error");

    for (; ;)
        pause();

    return 0;

}

void handler(int sig)
{
    printf("rev sig=%d\n", sig);
}
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/APUE/signal$ ./sigaction 
^Crev sig=2
^Crev sig=2
^Crev sig=2

...........................

即按下ctrl+c 会一直产生信号而被处理打印recv语句。


其实我们在前面文章说过的signal 函数是调用sigaction 实现的，而sigaction函数底层是调用 do_sigaction() 函数实现的。可以自己实现一个my_signal 函数，如下：

 C++ Code 
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    > File Name: process_.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int sig);
/* 系统调用signal()实际上调用了sigaction() */
__sighandler_t my_signal(int sig, __sighandler_t handler);

int main(int argc, char *argv[])
{
    my_signal(SIGINT, handler);

    for (; ;)
        pause();

    return 0;

}

__sighandler_t my_signal(int sig, __sighandler_t handler)
{
    struct sigaction act;
    struct sigaction oldact;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;

    if (sigaction(sig, &act, &oldact) < 0)
        return SIG_ERR;

    return oldact.sa_handler; // 返回先前的处理函数指针
}

void handler(int sig)
{
    printf("rev sig=%d\n", sig);
}
输出测试是一样的，需要注意的是 signal函数成功返回先前的handler，失败返回SIG_ERR。而sigaction 是通过oact 参数返回先前的handler，成功返回0，失败返回-1。


下面再举个小例子说明sa_mask 的作用：

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    > File Name: process_.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int sig);


int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT); // 在信号处理函数执行期间屏蔽SIGQUIT信号，完毕后会抵达
    /* 注意sigprocmask中屏蔽的信号是一直不能抵达的，除非解除了阻塞*/
    act.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) < 0)
        ERR_EXIT("sigaction error");

    for (; ;)
        pause();

    return 0;

}

void handler(int sig)
{
    printf("rev sig=%d\n", sig);
    sleep(5);
}
先按下ctrl+c ，然后马上ctrl+\，程序是不会马上终止的，即等到handler处理完毕SIGQUIT信号才会抵达。

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/APUE/signal$ ./sa_mask 
^Crev sig=2
^\

5s过后接着才输出Quit (core dumped)，即在信号处理函数执行期间sa_mask集合中的信号被阻塞直到运行完毕。


sa_flags 和 sa_sigaction 参数的示例看这里。


在多线程环境下，编写信号处理函数需要安全地处理，可以参考这篇文章：

tgkill()发给指定进程中的指定线程；

pthread_kill()由一个线程发给同进程中的另一个线程，实际上是通过封装tgkill()实现的；

《Linux 多线程应用中如何编写安全的信号处理函数》

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-signalsec/


参考：《APUE》、《linux c 编程一站式学习》

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