Linux：详解进程信号(信号的种类、产生、注册、注销以及信号的各种处理方式)(一)(图文并茂)

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1. 信号的概念

信号是一个软件中断，相当于是一个口头的约束，对你的限制力比较低，举个例子来说就是当你买的快递到了需要你去取的时候，而你正在打游戏，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取。在这个过程中，你获得了一个取快递的信号，但是你并没有选择立即执行，而是选择了在合适的时候去取，这就是软件中断。

2. 信号的种类

• 目前Linux的信号数量为62个，分为两种类型：

  ① 非实时信号(非可靠信号)，对应信号量为1~31，它的特点是有可能信号会发送丢失
  ② 实时信号(可靠信号)，对应信号量为34~64，它的特点是信号不会发送丢失

• kill -l：可以罗列出具体的信号值。

  

• man 7 singal：罗列所有的信号的具体信息。

  信号的具体信息：
  
  信号的动作：
  
  如果某一个信号的处理动作是core，那么它默认是需要完成终止进程+产生coredump文件。产生coredump文件依赖于ulimit -a中对应的core file size，并将其设置为unlimited。

3. 信号的产生

3.1 硬件产生

• ctrl + c：使当前运行的进程中断，产生一个值为2号的信号量，是一个SIGINT。
• ctrl + z：使当前运行的进程停止，产生一个值为20号的信号量，是一个SIGTSTP。
• ctrl + |：使当前运行的进程退出，产生一个值为3号的信号量，是一个SIGQUIT。

3.2 软件产生

• kill 命令

  kill [PID]：终止一个进程。
  kill -[num] [PID]：给进程号为PID的进程发送一个信号值为num的信号。

• kill 函数（包含在#include中，是一个系统调用函数）

  int kill(pid_t pid, int sig);
  功能是：给pid进程发送sig的信号。

• raise函数（包含在#include中，是一个库函数）

  int raise(int sig)
  功能：谁调用给谁发送signal信号。

4. 信号的注册

• 一个进程接收到一个信号，这个过程就被称之为信号的注册。
• 信号的注册和信号的注销并不是一个过程，是两个独立的过程。
• 信号的注册分为两种情况：可靠信号的注册和非可靠信号的注册。

在说可靠信号的注册和非可靠信号注册之前，我们先来看看信号在操作系统内核中到底是怎样存储的。

4.1 信号注册在内核中的存储表示

① 首先我们查看源码中的struct task_struct结构体（PCB）中关于信号的处理程序即signal handlers,我们本节就看其中的一个变量struct sigpending pending。

② 然后我们转到该结构体的内部定义对其进行查看

发现有一个sigset_t类型的变量，这个sigset_t类型应该是被typedef出来的。

③ 我们使用grep在内核源码中对sigset_t进行搜索，发现其包含在signal.h文件中。

④ 在signal.h头文件中对sigset_t进行查看

说明sigset_t类型是一个结构体，它包含了一个无符号长整型的数组。

至此，我们可以清楚的知道信号注册时在内核中到底是如何存储的。

总结一下就是：

• 在操作系统内核的task_struct结构体内部有一个变量struct sigpending pending；
• 内核定义的结构体struct sigpending当中有两个变量：一个是内核定义的双向链表，一个是sigset_t signal。
• 内核定义的类型sigset_t是一个结构体，而该结构体内部有一个变量，该变量为一个数组，是一个无符号长整形的数组。

因此：

• 信号的注册本质上是在使用sig数组，但是并不是按照数组类型的方式来使用，而是按照位图(比特位)的方式在使用，即是将整个数组看做是一个位图，若某一个信号被注册，则某个信号的对应数组中的比特位就会被置为1。一般在信号注册时候，称之为操作sig位图。
• sig数组的比特位数远远是大于62的，那些剩下的比特位会被置位保留位。
• 操作系统内核对于注册的时候，还有一个sigqueue队列，信号的注册逻辑位，将信号对于的sig位图中的比特位置为1，并在sigqueue队列中添加一个sigqueue节点。因此，我们可以通过注册同一信号两次，来区分可靠信号和非可靠信号的注册逻辑。

4.2 非可靠信号的注册

第一次注册信号：

• 更改信号对应在sig位图中的比特位，将其从0变为1。
• 在sigqueue队列中添加一个sigqueue节点。

第二次注册同样的信号：

• 更改信号对应在sig位图中的比特位，将其从1变为1。
• 对于第二次的信号，不添加sigqueue节点到sigqueue队列中。

总结：

如果有多次同一的非可靠信号来注册，对于非可靠信号而言，只会添加一次sigqueue节点，换而言之，就是只注册了一次。

4.3 可靠信号的注册

第一次注册信号：

• 更改信号对应在sig位图中的比特位，将其从0变为1。
• 在sigqueue队列中添加一个sigqueue节点。

第二次注册同样的信号：

• 更改信号对应在sig位图中的比特位，将其从1变为1。
• 在sigqueue队列中添加sigqueue节点。

总结：

如果有多次同一可靠信号来注册，那么会添加多次sigqueue节点，换言之，就是注册了多次

5. 信号的注销

5.1 非可靠信号的注销

• 将信号对应到sig位图当中的比特位置为0。
• 将对应的非可靠信号的sigqueue节点进行出队操作。

5.2 可靠信号的注销

• 先将可靠信号对应的sigqueue节点进行出队操作
• 再判断sigqueue队列中是否有同类的可靠信号的sigqueue节点

  ① 若有：则不会将sig位图中对应的比特位置为0.
  ② 若没有：则将信号对应到sig位图当中的比特位置为0。

6.信号的处理方式

6.1 默认处理方式

默认处理方式：已经在操作系统内核当中定义好了。

对应的是宏：SIG_DFL，注意是宏，而不是信号。

6.2 忽略处理方式

忽略处理方式：操作系统定义进程收到某一个信号之后，忽略掉。

对应的宏是：SIG_IGN。

问题：为什么子进程先于父进程退出的时候，子进程就会变成僵尸进程？

解答：子进程先于父进程退出，子进程就会向父进程发送一个SIGCHLD信号。而父进程并不会做任何事情，导致子进程资源没有进程可以回收，导致僵尸进程的产生。

6.3 自定义处理方式

自定义处理方式：程序员可以定义某个信号的处理方式。

6.3.1 signal函数

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)

参数：

• signum：待要更改的信号的值
• handler：是一个函数指针，接收的是一个函数地址，并且该函数没有返回值，但有一个int类型的参数。

sighandler_t 对应的类型是：typedef void (*sighandler_t)(int);

返回值：

也就是说 signal 的返回值是指向之前的信号处理程序的指针，之前的信号处理程序，也就是在执行signal（signo，func）之前，对信号signo的信号处理程序。我们一般不需要来接收它，操作系统会自动进行相应的操作。

举个例子：

我们需要编写一个文件，实现当我们给定一个2号信号(即ctrl + c)的时候，让它去执行我们自己定义好的一个sigCallBack函数，该函数中用printf函数打印一句话，“It’s test to processing the SIGINT signal”。

代码实现：

>#include <stdio.h>
#include 
#include 

void sigCallBack(int sig)
{
     
    printf("It's test to processing the SIGINT signal\n");
}

int main()
{
     
    printf("test start!\n");
    signal(2,sigCallBack);

    while(1)
    {
     
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

那么，当该代码运行的时候，在终端按下ctrl + c，就会回调去调用sigCallBack函数去执行相应的内容。

运行结果

自定义signum这个信号的处理方式，定义为handler这个函数指针保存的函数地址对应的函数。换句话来说就是当进程收到signum这个信号的时候就会调用handler中保存的函数。

用图来理解就是：

注意：是从内核处调用的回调函数，不是从main函数处调用

小结：

signal函数向内核注册了一个信号的处理函数，调用signal函数的时候，并没有调用注册的函数（注册的函数在进程收到信号之后才调用），这种方法称为回调。

6.3.2 sigaction函数

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

参数：

• signum：待要自定义处理的信号。
• act：要将信号处理方式更改为act。
• oldact：原来的处理方式。

struct sigaction结构体定义

结构体参数解释：

• void (*sa_handler)(int)：默认的信号处理函数保存的函数指针
• void (*sa_handler)(int ,siginfo_t * ,void *)：函数指针，但要配合sa_flags一起使用，当sa_flags当中的值为SA_SIGINFO的时候，信号处理是按照sigaction结构体当中保存的函数地址来处理的(默认的)，而不是传递进来的那个函数指针。
• sigset_t sa_mask：注意上面讲过sigset_t是一个位图，那么sa_mask所实现的是，当进程在处理某一个信号的时候，有可能还会收到其他的信号，此时其他的信号就暂时存在sa_mask当中。
• int sa_flags：指定了一组修改信号行为的标志。当其为SA_SIGINFO的标志的时候，就按照默认的信号处理函数处理，当为0的时候，就按照我们传递进来的信号处理函数处理。
• void (*sa_restorer)(void)：sa_restorer元素已经过时了，不应该被使用。它作为一个保留字段保留了下来。

返回值：

若是修改成功则返回0，失败返回-1。

举个例子：
还是上面signal函数中所实现的例子，只不过这次讲signal函数修改为sigaction函数。

代码实现：

#include 
#include 
#include 

void sigCallBack(int sig)
{
     
    printf("It's test to processing the SIGINT signal\n");
}


int main()
{
     
    printf("test start!\n");

    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigCallBack;
    //将位图中的比特位情况全部设置为0
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(2,&sa,NULL);

    while(1)
    {
     
        sleep(1);
    }
    
    return 0;
}

需要注意的是，该代码中有一个sigemptyset函数，是将对应的位图全部设置为0。

运行结果：

6.4 从内核角度去分析信号的处理

① 首先，我们还是从struct task_struct结构体开始看起，我们可以找到一个struct signal_struct* sighand1的变量。

② 查看 struct sighand_struct结构体的定义。

在该结构体的内部有一个struct k_sigaction action[_NSIG]的变量。注意他不是一个指针，而是一个数组，因此它会直接展开在sighand_struct结构体的内部。
③ 查看struct k_sigaction结构体的定义。

该结构体内部就是我们使用sigaction函数中所提到的struct sigaction结构体。
④我们来看看struct sigaction结构体的定义。

注意这里的__sighandler_t是void (*sa_handler)(int)typedef出来的。

signal函数和sigaction函数区别

• signal函数的内部也是在调用sigaction函数的，它修改的是一个__sighandler_t 的函数指针。
• 而sigaction函数是直接对struct sigaction结构体进行相应的修改。

画图解释如下：