Linux信号(signal)机制

信号(signal)是一种软中断，信号机制是进程间通信的一种方式，采用异步通信方式

一、信号类型

Linux系统共定义了64种信号，分为两大类：可靠信号与不可靠信号，前32种信号为不可靠信号，后32种为可靠信号。

1.1 概念

• 不可靠信号： 也称为非实时信号，不支持排队，信号可能会丢失, 比如发送多次相同的信号, 进程只能收到一次. 信号值取值区间为1~31；

• 可靠信号： 也称为实时信号，支持排队, 信号不会丢失, 发多少次, 就可以收到多少次. 信号值取值区间为32~64

1.2 信号表

在终端，可通过kill -l查看所有的signal信号

取值	名称	解释	默认动作
1	SIGHUP	挂起
2	SIGINT	中断
3	SIGQUIT	退出
4	SIGILL	非法指令
5	SIGTRAP	断点或陷阱指令
6	SIGABRT	abort发出的信号
7	SIGBUS	非法内存访问
8	SIGFPE	浮点异常
9	SIGKILL	kill信号	不能被忽略、处理和阻塞
10	SIGUSR1	用户信号1
11	SIGSEGV	无效内存访问
12	SIGUSR2	用户信号2
13	SIGPIPE	管道破损，没有读端的管道写数据
14	SIGALRM	alarm发出的信号
15	SIGTERM	终止信号
16	SIGSTKFLT	栈溢出
17	SIGCHLD	子进程退出	默认忽略
18	SIGCONT	进程继续
19	SIGSTOP	进程停止	不能被忽略、处理和阻塞
20	SIGTSTP	进程停止
21	SIGTTIN	进程停止，后台进程从终端读数据时
22	SIGTTOU	进程停止，后台进程想终端写数据时
23	SIGURG	I/O有紧急数据到达当前进程	默认忽略
24	SIGXCPU	进程的CPU时间片到期
25	SIGXFSZ	文件大小的超出上限
26	SIGVTALRM	虚拟时钟超时
27	SIGPROF	profile时钟超时
28	SIGWINCH	窗口大小改变	默认忽略
29	SIGIO	I/O相关
30	SIGPWR	关机	默认忽略
31	SIGSYS	系统调用异常

对于signal信号，绝大部分的默认处理都是终止进程或停止进程，或dump内核映像转储。 上述的31的信号为非实时信号，其他的信号32-64 都是实时信号。

二、信号产生

信号来源分为硬件类和软件类：

2.1 硬件方式

• 用户输入：比如在终端上按下组合键ctrl+C，产生SIGINT信号；
• 硬件异常：CPU检测到内存非法访问等异常，通知内核生成相应信号，并发送给发生事件的进程；

2.2 软件方式

通过系统调用，发送signal信号：kill()，raise()，sigqueue()，alarm()，setitimer()，abort()

• kernel,使用 kill_proc_info(）等
• native,使用 kill() 或者raise()等
• java,使用 Procees.sendSignal()等

三、信号注册和注销

3.1 注册

在进程task_struct结构体中有一个未决信号的成员变量 struct sigpending pending。每个信号在进程中注册都会把信号值加入到进程的未决信号集。

• 非实时信号发送给进程时，如果该信息已经在进程中注册过，不会再次注册，故信号会丢失；
• 实时信号发送给进程时，不管该信号是否在进程中注册过，都会再次注册。故信号不会丢失；

3.2 注销

• 非实时信号：不可重复注册，最多只有一个sigqueue结构；当该结构被释放后，把该信号从进程未决信号集中删除，则信号注销完毕；
• 实时信号：可重复注册，可能存在多个sigqueue结构；当该信号的所有sigqueue处理完毕后，把该信号从进程未决信号集中删除，则信号注销完毕；

四、信号处理

内核处理进程收到的signal是在当前进程的上下文，故进程必须是Running状态。当进程唤醒或者调度后获取CPU，则会从内核态转到用户态时检测是否有signal等待处理，处理完，进程会把相应的未决信号从链表中去掉。

4.1 处理时机

signal信号处理时机： 内核态 -> signal信号处理 -> 用户态：

• 在内核态，signal信号不起作用；
• 在用户态，signal所有未被屏蔽的信号都处理完毕；
• 当屏蔽信号，取消屏蔽时，会在下一次内核转用户态的过程中执行；

4.2 处理方式

进程对信号的处理方式： 有3种

• 默认 接收到信号后按默认的行为处理该信号。 这是多数应用采取的处理方式。
• 自定义 用自定义的信号处理函数来执行特定的动作
• 忽略 接收到信号后不做任何反应。

4.3 信号安装

进程处理某个信号前，需要先在进程中安装此信号。安装过程主要是建立信号值和进程对相应信息值的动作。

信号安装函数

• signal()：不支持信号传递信息，主要用于非实时信号安装；
• sigaction():支持信号传递信息，可用于所有信号安装；

其中 sigaction结构体

• sa_handler:信号处理函数
• sa_mask：指定信号处理程序执行过程中需要阻塞的信号；
• sa_flags：标示位
  • SA_RESTART：使被信号打断的syscall重新发起。
  • SA_NOCLDSTOP：使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到 SIGCHLD 信号。
  • SA_NOCLDWAIT：使父进程在它的子进程退出时不会收到SIGCHLD信号，这时子进程如果退出也不会成为僵 尸进程。
  • SA_NODEFER：使对信号的屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信号。
  • SA_RESETHAND：信号处理之后重新设置为默认的处理方式。
  • SA_SIGINFO：使用sa_sigaction成员而不是sa_handler作为信号处理函数。

函数原型：

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

• signum：要操作的signal信号。
• act：设置对signal信号的新处理方式。
• oldact：原来对信号的处理方式。
• 返回值：0 表示成功，-1 表示有错误发生。

4.4 信号发送

• kill()：用于向进程或进程组发送信号；
• sigqueue()：只能向一个进程发送信号，不能像进程组发送信号；主要针对实时信号提出，与sigaction()组合使用，当然也支持非实时信号的发送；
• alarm()：用于调用进程指定时间后发出SIGALARM信号；
• setitimer()：设置定时器，计时达到后给进程发送SIGALRM信号，功能比alarm更强大；
• abort()：向进程发送SIGABORT信号，默认进程会异常退出。
• raise()：用于向进程自身发送信号；

4.5 信号相关函数

信号集操作函数

• sigemptyset(sigset_t *set)：信号集全部清0；
• sigfillset(sigset_t *set)： 信号集全部置1，则信号集包含linux支持的64种信号；
• sigaddset(sigset_t *set, int signum)：向信号集中加入signum信号；
• sigdelset(sigset_t *set, int signum)：向信号集中删除signum信号；
• sigismember(const sigset_t *set, int signum)：判定信号signum是否存在信号集中。

信号阻塞函数

• sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset))； 不同how参数，实现不同功能
  • SIG_BLOCK：将set指向信号集中的信号，添加到进程阻塞信号集；
  • SIG_UNBLOCK：将set指向信号集中的信号，从进程阻塞信号集删除；
  • SIG_SETMASK：将set指向信号集中的信号，设置成进程阻塞信号集；
• sigpending(sigset_t *set))：获取已发送到进程，却被阻塞的所有信号；
• sigsuspend(const sigset_t *mask))：用mask代替进程的原有掩码，并暂停进程执行，直到收到信号再恢复原有掩码并继续执行进程。