Linux信号一门搞定

时间：2023-02-14 09:52:29

1.信号是什么？

信号其实就是一个软件中断。

例：

  1. 输入命令，在Shell下启动一个前台进程。
  2. 用户按下Ctrl-C，键盘输入产生一个硬件中断。
  3. 如果CPU当前正在执行这个进程的代码，则该进程的用户空间代码暂停执行， CPU从用户态切换到内核态处理硬件中断。
  4. 终端驱动程序将Ctrl-C解释成一个SIGINT信号，记在该进程的PCB中（也可以说发送了一个SIGINT信号给该进程）。
  5. 当某个时刻要从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前，首先处理PCB中记录的信号，发现有一个SIGINT信号待处理，而这个信号的默认处理动作是终止进程，所以直接终止进程而不再返回它的用户空间代码执行。

在这个例子中，由ctrl+c产生的硬件中断就是一个信号。Ctrl+C产生的信号只能发送给前台进程，命令后加&就可放到后台运行。
Shell可同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接受到像CTRL+C这种控制键产生的信号。

2.信号的种类

使用命令查看：

kill -l

非可靠信号：1~31号信号，信号可能会丢失
可靠信号：34~64号信号，信号不可能丢失

Linux信号一门搞定

SIGHUP：1号信号，Hangup detected on controlling terminal or death of controlling process（在控制终端上挂起信号，或让进程结束），ation：term

SIGINT：2号信号，Interrupt from keyboard（键盘输入中断，ctrl + c ），action：term

SIGQUIT：3号信号，Quit from keyboard（键盘输入退出**，ctrl+ |** ），action：core，产生core dump文件

SIGABRT：6号信号，Abort signal from abort(3)（非正常终止，double free），action：core

SIGKILL：9号信号，Kill signal（杀死进程信号），action：term，该信号不能被阻塞、忽略、自定义处理

SIGSEGV：11号信号，Invalid memory reference（无效的内存引用，解引用空指针、内存越界访问），action：core

SIGPIPE：13号信号，Broken pipe: write to pipe with no readers（管道中止: 写入无人读取的管道，会导致管道破裂），action：term

SIGCHLD：17号信号，Child stopped or terminated（子进程发送给父进程的信号，但该信号为忽略处理的）

SIGSTOP：19号信号，Stop process（停止进程），action：stop

SIGTSTP：20号信号，Stop typed at terminal（终端上发出的停止信号，ctrl + z），action：stop

具体的信号采取的动作和详细信息可查看：man 7 signal

3.信号的产生

3.1硬件产生

硬件产生即通过终端按键产生的信号：

  1. ctrl + c：SIGINT(2)，发送给前台进程，& 进程放到后台运行，fg 把刚刚放到后台的进程，再放到前台来运行
  2. ctrl + z：SIGTSTP(20)，一般不用，除非有特定场景
  3. ctrl + | ：SIGQUIT(3)，产生core dump文件

产生core dump文件的条件：

当前OS一定不要限制core dump文件的大小，ulimit -a
磁盘空间要足够
如何产生：
3.1 解引用空指针，收到11号信号，产生core dump文件
3.2 内存访问越界，程序一旦崩溃，就会收到11号信号，也就会产生core dump文件
3.3 double free，收到6号信号，并产生core dump。
3.4 free（NULL），不会崩溃

3.2软件产生

软件产生即调用系统函数向进程发信号

  1. kill函数
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
参数解释：
pid：进程号
sig：要发送的信号值
返回值：成功返回0，失败返回-1，并设置错误
  1. kill命令：kill -[信号] pid，
  2. abort：void abort(void);，收到6号信号，谁调用该函数，谁就收到信号
  3. alarm：unsigned int alarm(unsigned int seconds);，收到14号信号，告诉内核在seconds秒后给进程发送SIGALRM信号，该信号默认处理动作为终止当前进程。

4.信号的注册

信号注册又分为可靠信号的注册和非可靠信号的注册。
信号注册实际上是一个位图和一个sigqueue队列。
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4.1非可靠信号的注册

当进程收到非可靠信号时：

  1. 将非可靠信号对应的比特位置为1
  2. 添加sigqueue节点到sigqueue队列当中，但是，在添加sigqueue节点的时候，队列当中已然有了该信号的sigqueue节点，则不添加

4.2可靠信号的注册

当进程所受到可靠信号时：

在sig位图中更改信号对应的比特位为1
不论之前sigqueue队列中是否存在该信号的sigqueue节点，都再次添加sigqueue节点到sigqueue队列当中去

5.信号的注销

5.1非可靠信号的注销

信号对应的比特位从1置为0
将该信号的sigqueue节点从sigqueue队列当中进行出队操作

5.2可靠信号的注销

将该信号的sigqueue节点从sigqueue队列当中进行出队操作
需要判断sigqueue队列当中是否还有相同的sigqueue节点：
①没有了：信号比特位从1置为0
②还有：不会更改sig位图中的比特位

6.信号阻塞

6.1信号是怎样阻塞的？

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信号的阻塞，并不会干扰信号的注册。信号能注册，但不能被立即处理，
将block位图中对应的信号比特位置为1，表示阻塞该信号
进程收到该信号，还是一如既往的注册
当进程进入到内核空间，准备返回用户空间的时候，调用do_signal函数，就不会立即去处理该信号了
当该信号不被阻塞后，就可以进行处理了

6.2sigprocmask

函数原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
参数解释：

how，该做什么样的操作
SIG_BLOCK：设置信号为阻塞
SIG_UNBLOCK：解除信号阻塞
SIG_SETMASK：替换阻塞位图
set：用来设置阻塞位图
SIG_BLOCK：设置某个信号为阻塞，block（new） = block（old） | set
SIG_UNBLOCK：解除某个信号阻塞，block（new）= block（old） & （~set）
SIG_SETMASK：替换阻塞位图，block（new）= set
oldset：原来的阻塞位图

例：下述例子，信号全部被阻塞，采用kill -9，将该进程结束掉

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>


void signcallback(int signumber)
{
  printf("change the signal %d\n",signumber);
}

int main()
{
  sigset_t set;
  sigset_t oldset;
  sigfillset(&set);//所有比特位全置为1，则信号全部会被阻塞
  sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
  while(1)
  {
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

结果： 此时发送信号是不会有作用的，采用kill -9强杀掉

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7.信号未决

7.1 未决概念

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。

7.2 sigpending

函数原型：int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。调用成功返回0，出错返回-1.

例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void signalcallback(int signumber)
{
  printf("chang signumber %d\n",signumber);
}
void printsigset(sigset_t *set)
{
  int i = 0;
  for(;i < 32;i++)
  {
    if(sigismember(set,i))
    {
      putchar('1');
    }
    else{
      putchar('0');
    }
  }
}

int main()
{
  signal(2,signalcallback);
  signal(10,signalcallback);
  sigset_t set;
  sigset_t oldset;
  sigset_t pending;
  sigfillset(&set);//所有比特位全部置为1，则信号会全部被阻塞
  sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
  while(1)
  {
    sigpending(&pending);
    printsigset(&pending);
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

结果：
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8.信号的处理方式

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每个信号都有两个标志位分别表示阻塞和未决，还有一个函数指针表示处理动作。

在上述例子中：

  1. SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作。
  2. 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。
  3. 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。

8.1signal函数

该函数可以更改信号的处理动作。

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
参数解释：

signum：更改的信号值
handler：函数指针，要更改的动作是什么

实际上，该函数内部也调用了sigaction函数。

8.2sigaction函数

读取和修改与指定信号相关联的处理动作。

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

参数解释：

signum：待更改的信号值

struct sigaction结构体：

void     (*sa_handler)(int);//函数指针，保存了内核对信号的处理方式
void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//
sigset_t   sa_mask;//保存的是当进程在处理信号的时候，收到的信号
int        sa_flags;//SA_SIGINFO，OS在处理信号的时候，调用的就是sa_sigaction函数指针当中
//保存的值0，在处理信号的时候，调用sa_handler保存的函数
void     (*sa_restorer)(void);

例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void signcallback(int signumber)
{
  printf("change signumber %d\n",signumber);
}


int main()
{
  struct sigaction act;//act为入参
  sigemptyset(&act.sa_mask);
  act.sa_flags = 0;
  act.sa_handler = signcallback;

  struct sigaction oldact;//oldact为出参
  sigaction(3,&act,&oldact);
  while(1)
  {
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

结果：
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8.3 自定义信号处理的流程

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  1. task_struct结构体中有一个struct sighand_struct结构体。
  2. struct sighand_struct结构体有一个**struct k_sigaction action[_NSIG]**结构体数组。
  3. 该数组中，其中的**_sighandler_t sa_handler**保存的是信号的处理方式，通过改变其指向，可以实现我们对自定义信号的处理。

9.信号的捕捉

9.1信号捕捉的条件

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，这就称为信号捕捉。

9.2信号捕捉流程

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内核态返回用户态会调用do_signal函数，两种情况：

  1. 无信号：sys_return函数，返回用户态

  2. 有信号：先处理信号，信号返回，再调用do_signal函数
    例：

  3. 程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。

  4. 当前正在执行main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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。

  8. 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。

10.常用信号集操作函数

int sigemptyset(sigset_t *set);：//将比特位图全置为0

int sigfillset(sigset_t *set);//将比特位图全置为1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);//将该set位图，多少号信号置为1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);//将该set位图，多少号信号置为0

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);//信号signum是否是set位图中的信号

11.SIGCHLD信号

该信号是子进程在结束是发送给父进程的信号，但是该信号的处理方式是默认处理的。
父进程对子进程发送过来的SIGCHLD信号进行了忽略处理，就会导致子进程成为僵尸进程。

可以自定义该信号的处理方式：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>

void signcallback(int signumber)
{
  printf("change signal %d\n",signumber);
  wait(NULL);
}

int main()
{
  signal(17,signcallback);
  pid_t pid = fork();
  if(pid < 0)
  {
    perror("fork");
    return -1;
  }
  else if(pid == 0)
  {
    printf("I am child\n");
    sleep(1);
    exit(12);
  }
  else{
    while(1)
    {
      sleep(1);
    }
  }
  return 0;
}

指令查看后台：ps aux | grep ./fork

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原文地址：
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