【Linux系统编程学习】信号、信号集以其相关函数

此为牛客Linux C++和黑马Linux系统编程课程笔记。

0. 信号的概念

A给B发送信号，B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断，早期常被称为“软中断”。

信号的特质：由于信号是通过软件方法实现，其实现手段导致信号有很强的延时性。但对于用户来说，这个延迟时间非常短，不易察觉。

每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的，内核处理。

1. Linux信号一览表

红色为重点掌握的信号

2. 信号相关函数

3. kill函数

#include 
#include 

int kill(pid_t pid, int sig);

功能：给任何的进程或者进程组pid, 发送任何的信号 sig

参数：

• pid ：

< 0 : 将信号发送给指定的进程
= 0 : 将信号发送给当前的进程组
= -1 : 将信号发送给每一个有权限接收这个信号的进程
< -1 : 这个pid=某个进程组的ID取反 （-12345）

• sig : 需要发送的信号的编号或者是宏值，0表示不发送任何信号

如kill(getppid(), 9);能够杀死父进程；kill(getpid(), 9);能够杀死当前进程。

4. raise函数

#include 
#include 

int raise(int sig);

功能：给当前进程发送信号；

参数：sig : 要发送的信号；

返回值：成功 0， 失败 非0。

相当于kill(getpid(), sig);

5. abort函数

#include 
#include 

void abort(void);

功能： 发送SIGABRT（编号为6）信号给当前的进程，杀死当前进程；

相当于kill(getpid(), SIGABRT);或raise(SIGBRT);。

6. alarm函数

设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。

#include 
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

功能：设置定时器（闹钟）。函数调用，开始倒计时，当倒计时为0的时候，函数会给当前的进程发送一个信号：SIGALARM。

参数：seconds: 倒计时的时长，单位：秒。如果参数为0，定时器无效（不进行倒计时，不发信号）。

返回值：

• 之前没有定时器，返回0
• 之前有定时器，返回之前的定时器剩余的时间

常用：使用alarm(0)取消定时器，返回旧闹钟余下秒数。

每个进程都有且只有唯一个定时器。 比如：进程先执行了alarm(10)，2秒后又执行了一个alarm(5)，alarm(5)的返回值是8，因为之前有定时器，返回的是之前定时器的剩余时间。然后从现在起该进程还是只有一个定时器，定时5秒，因为后来的定时器会刷新之前的定时器。

注意，alarm定时是与与进程状态无关(自然定时法)！就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸…无论进程处于何种状态，alarm都计时。

看以下示例程序：

#include 
#include 
int main()
{
     
    int i;
    alarm(1);
    for(i = 0; ; i++) {
     
        printf("%d\n", i);
    }
    return 0;
}

用定时器让程序执行1s后停止。
我们用time ./alarm来查看该程序的运行时间：

可以看到实际运行时间几乎是1秒，但是发现用户时间和系统时间加起来与总的运行时间不同，这是为什么呢。

实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间。程序的很多时间浪费在printf上了。

7. setitimer函数

#include 
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

功能：设置定时器（闹钟）。可以替代alarm函数。精度微妙us，可以实现周期性定时。

参数：

• which : 定时器以什么时间计时，有以下三种参数，一般用第一种自然定时。
  ITIMER_REAL: 真实时间（自然定时），时间到达发送 SIGALRM 常用
  ITIMER_VIRTUAL: 用户时间，时间到达发送 SIGVTALRM
  ITIMER_PROF: 以该进程在用户态和内核态下所消耗的时间来计算，时间到达发送 SIGPROF
• new_value: 设置定时器的属性

struct itimerval {
           // 定时器的结构体
    struct timeval it_interval;  // 每个阶段的时间，间隔时间
    struct timeval it_value;     // 延迟多长时间执行定时器
};

struct timeval {
             // 时间的结构体
    time_t      tv_sec;     //  秒数     
    suseconds_t tv_usec;    //  微秒    
};

• old_value ：记录上一次的定时的时间参数，一般不使用，指定NULL

如以下示例程序能够实现延迟3秒，每2秒发送一次信号。

#include 
#include 
#include 

// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {
     

    struct itimerval new_value;

    // 设置间隔的时间
    new_value.it_interval.tv_sec = 2;
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;

    // 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时
    new_value.it_value.tv_sec = 3;
    new_value.it_value.tv_usec = 0;


    int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的
    printf("定时器开始了...\n");

    if(ret == -1) {
     
        perror("setitimer");
        exit(0);
    }

    getchar();

    return 0;
}

由于还没有介绍signal信号捕捉函数，setitimer发出的信号让程序终止，所以无法演示其周期性发送信号的功能，接下来介绍signal函数。

8. signal函数

#include 
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

功能：设置某个信号的捕捉行为

注意：并不是该函数来捕捉信号，该函数只是向内核注册对某个信号的捕捉行为。

参数：

• signum: 要捕捉的信号
• handler: 捕捉到信号要如何处理，可以有以下三种参数：
  - SIG_IGN ： 忽略信号
  - SIG_DFL ： 使用信号默认的行为
  - 回调函数 : 这个函数是内核调用，程序员只负责写，捕捉到信号后如何去处理信号。

回调函数：
- 需要程序员实现，提前准备好的，函数的类型根据实际需求，看函数指针的定义
- 不是程序员调用，而是当信号产生，由内核调用
- 函数指针是实现回调的手段，函数实现之后，将函数名放到函数指针的位置就可以了。

返回值：

• 成功，返回上一次注册的信号处理函数的地址。第一次调用返回NULL
• 失败，返回SIG_ERR，设置错误号

注意：SIGKILL 和 SIGSTOP不能被捕捉，不能被忽略。

在setitimer的示例代码中加入signal后，示例代码如下：

void myfunc(int num) {
     
    printf("捕捉到了信号的编号是：%d\n", num);
    printf("xxxxxxx\n");
}

// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {
     

    // 注册信号捕捉
    // signal(SIGALRM, SIG_IGN);
    // signal(SIGALRM, SIG_DFL);
    // void (*sighandler_t)(int); 函数指针，int类型的参数表示捕捉到的信号的值。
    signal(SIGALRM, myfunc);

    struct itimerval new_value;

    // 设置间隔的时间
    new_value.it_interval.tv_sec = 2;
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;

    // 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时
    new_value.it_value.tv_sec = 3;
    new_value.it_value.tv_usec = 0;

    int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的
    printf("定时器开始了...\n");

    if(ret == -1) {
     
        perror("setitimer");
        exit(0);
    }

    getchar();

    return 0;
}

signal的第二个参数传入函数地址，当当前进程捕捉到SIGALRM信号时，将执行程序员自定义的myfunc函数，myfun函数的int类型参数是捕捉到的信号的值（编号）。
程序运行结果如下：

程序运行3秒后第一次发出信号，程序输出一次，然后每隔2秒发出一次信号。

9. 信号集

一个进程的PCB中除了包含进程id，状态，工作目录，用户id，组id，文件描述符表，还包含了信号相关的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。

阻塞信号集(信号屏蔽字)： 将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽x信号后，再收到该信号，该信号的处理将推后(解除屏蔽后)

未决信号集:

• 信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1，表信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻转回为0。这一时刻往往非常短暂。
• 信号产生后由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态。
  
  信号集本质上是一个64位的二进制数，其每一位的0或1代表着该位序号对应的信号的状态。
  
  当信号产生时，PCB中未决信号集中的该位立即置为1，然后去阻塞信号集的同样位置查看是否为1，如果阻塞信号集的对应位置也为1，说明该信号要阻塞，未决信号集的该位置保持1不变；直到阻塞解除，这个信号就被处理。

10. 自定义信号集相关函数

以下信号集相关的函数都是对自定义的信号集进行操作。

int sigemptyset(sigset_t *set);

• 功能：清空信号集中的数据,将信号集中的所有的标志位置为0
• 参数：set,传出参数，需要操作的信号集
• 返回值：成功返回0， 失败返回-1

int sigfillset(sigset_t *set);

• 功能：将信号集中的所有的标志位置为1
• 参数：set：传出参数，需要操作的信号集
• 返回值：成功返回0， 失败返回-1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

• 功能：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为1，表示阻塞这个信号
• 参数：
  - set：传出参数，需要操作的信号集
  - signum：需要设置阻塞的那个信号
• 返回值：成功返回0， 失败返回-1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

• 功能：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为0，表示不阻塞这个信号
• 参数：
  - set：传出参数，需要操作的信号集
  - signum：需要设置不阻塞的那个信号
• 返回值：成功返回0， 失败返回-1

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

• 功能：判断某个信号是否阻塞
• 参数：
  - set：需要操作的信号集
  - signum：需要判断的那个信号
• 返回值：
  1 ： signum被阻塞
  0 ： signum不阻塞
  -1 ： 失败

一个用到以上函数的示例程序如下：

#include 
#include 

int main() {
     

    // 创建一个信号集
    sigset_t set;

    // 清空信号集的内容
    sigemptyset(&set);

    // 判断 SIGINT 是否在信号集 set 里
    int ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if(ret == 0) {
     
        printf("SIGINT 不阻塞\n");
    } else if(ret == 1) {
     
        printf("SIGINT 阻塞\n");
    }

    // 添加几个信号到信号集中
    sigaddset(&set, SIGINT);
    sigaddset(&set, SIGQUIT);

    // 判断SIGINT是否在信号集中
    ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if(ret == 0) {
     
        printf("SIGINT 不阻塞\n");
    } else if(ret == 1) {
     
        printf("SIGINT 阻塞\n");
    }

    // 判断SIGQUIT是否在信号集中
    ret = sigismember(&set, SIGQUIT);
    if(ret == 0) {
     
        printf("SIGQUIT 不阻塞\n");
    } else if(ret == 1) {
     
        printf("SIGQUIT 阻塞\n");
    }

    // 从信号集中删除一个信号
    sigdelset(&set, SIGQUIT);

    // 判断SIGQUIT是否在信号集中
    ret = sigismember(&set, SIGQUIT);
    if(ret == 0) {
     
        printf("SIGQUIT 不阻塞\n");
    } else if(ret == 1) {
     
        printf("SIGQUIT 阻塞\n");
    }

    return 0;
}

11. sigprocmask函数

之前的信号集函数均是对自定义的信号集进行操作，那如何修改内核中的阻塞信号集呢？可以使用sigprocmask函数，用自定义的信号集设置内核阻塞信号集。

#include 
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

功能：将自定义信号集中的数据设置到内核中（设置阻塞，解除阻塞，替换）。

参数：

• how : 如何对内核阻塞信号集进行处理，有以下可选参数：

SIG_BLOCK: 将用户设置的阻塞信号集添加到内核中，内核中原来的数据不变（假设内核中默认的阻塞信号集是mask， mask | set）。

SIG_UNBLOCK: 根据用户设置的数据，对内核中的数据进行解除阻塞（相当于 mask = mask & ~set）。

SIG_SETMASK: 用set覆盖内核中原来的值。

• set ：已经初始化好的用户自定义的信号集
• oldset : 保存设置之前的内核中的阻塞信号集的状态，可以是 NULL。

返回值： 成功：0 ；失败：-1，并设置错误号。

12. sigpending函数

#include 
int sigpending(sigset_t *set);

功能：获取内核中的未决信号集。

参数：set，传出参数，保存的是内核中的未决信号集中的信息。

13. sigaction函数

sigaction函数通常用于替代signal函数，用来捕捉信号，同时自定义信号的处理动作。

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

功能：检查或者改变信号的处理。信号捕捉。

参数：

• signum : 需要捕捉的信号的编号或者宏值（信号的名称）
• act ：捕捉到信号之后的处理动作
• oldact : 上一次对信号捕捉相关的设置，一般不使用，传NULL即可

返回值： 成功 0 失败 -1

其中参数act的类型sigaction结构体定义如下：

struct sigaction {
     
        // 函数指针，指向的函数就是信号捕捉到之后的处理函数
        void     (*sa_handler)(int);
        // 不常用
        void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
        // 临时阻塞信号集，在信号捕捉函数执行过程中，临时阻塞某些信号。
        sigset_t   sa_mask;
        // 使用哪一个信号处理对捕捉到的信号进行处理
        // 这个值可以是0，表示使用sa_handler,也可以是SA_SIGINFO表示使用sa_sigaction
        int        sa_flags;
        // 被废弃掉了
        void     (*sa_restorer)(void);
    };

其中sa_sigaction和sa_restorer我们基本用不到，所以掌握以下三个即可：
① sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为SIG_IGN表忽略 或 SIG_DFL表执行默认动作。
② sa_mask: 调用信号处理函数时，所要屏蔽的信号集合(信号屏蔽字)。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽生效，是临时性设置。
③ sa_flags：通常设置为0，表使用默认属性。

该函数与signal函数最大的区别就在于sa_mask上，sa_mask是程序员自定义的一个信号集，该信号集充当调用信号处理函数时的一个临时的阻塞信号集，也就是说：

进程正常运行时，默认PCB中有一个信号屏蔽字（阻塞信号集），假定为☆，它决定了进程自动屏蔽哪些信号。当注册了某个信号捕捉函数，捕捉到该信号以后，要调用该函数。而该函数有可能执行很长时间，在这期间所屏蔽的信号不由☆来指定。而是用sa_mask来指定。调用完信号处理函数，再恢复为☆。

示例程序如下：

#include 
#include 
#include 
#include 

void catchFunc(int signo) {
     
    printf("捕捉到了信号：%d \n", signo);
}

int main() {
     
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = catchFunc;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT); // 想要在捕捉函数中屏蔽SIGQUIT信号

    int res = sigaction(SIGINT, &act, NULL);
    if(res == -1) {
     
        perror("sigaction error");
        exit(1);
    }

    while(1);

    return 0;
}

执行结果如下：
每次在终端输入ctrl+c（产生SIGINT信号）时，输出：捕捉到了信号2。

当在键盘中输入ctrl+\（产生SIGQUIT）时， 程序退出。那么有个问题，程序中不是已经设置了sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT);来屏蔽信号了吗？为什么输入ctrl+\时， 程序依然会退出？是因为sigaction函数设置的sa_mask只在信号处理函数执行中生效，输出语句后信号处理函数以及执行完毕。

再看下面示例程序：该程序让信号处理函数睡眠10秒。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void catchFunc(int signo) {
     
    printf("捕捉到了信号：%d \n", signo);
    sleep(10);
    printf("-----finish-----");
}

int main() {
     
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = catchFunc;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT); // 想要在捕捉函数中屏蔽SIGQUIT信号

    int res = sigaction(SIGINT, &act, NULL);
    if(res == -1) {
     
        perror("sigaction error");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

运行程序后，输入ctrl+c，终端输出如下：

此时10秒以内，依然在执行信号捕捉函数catchFunc，也就是说当前sa_mask是生效的。此时我们输入crtl+\：

程序并没有退出，因为此时sa_mask中屏蔽了SIGQUIT信号。等待10秒过后：

发现程序自动退出，这是因为10秒过后信号捕捉函数catchFunc执行完毕，临时的阻塞信号集（sa_mask）失效，此时生效的是原PCB中的阻塞信号集，未决信号集（SIGQUIT处的值为1）查询到后阻塞信号集中SIGQUIT处的值是0后，SIGQUIT信号递达，程序退出。

这里还有一个值得注意的细节：

当信号捕捉函数catchFunc执行时，我输入了多个ctrl+c后，信号捕捉函数执行完毕后，只输出了一个“捕捉到了信号：2”，这是因为我们无论向当前进程发出多少个相同信号，未决信号集的对应位都是1，无法记录相同信号的数量，所以当临时阻塞信号集被取消后，只输出了一个“捕捉到了信号：2”。有以下结论：

阻塞的常规信号不支持排队，产生多次只记录一次。（后32个实时信号支持排队）。

14. 内核实现信号捕捉过程