进程间通信——信号

1. 信号的概念

       信号共性：1. 简单 2. 不能携带大量信息 3. 满足某个特设条件才发送。
       Unix早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T都对信号模型做了更改，增加了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1对可靠信号例程进行了标准化。

1.1 信号的机制

       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。

1.1 与信号相关的事件和状态

产生信号:

1. 按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\
2. 系统调用产生，如：kill、raise、abort
3. 软件条件产生，如：定时器alarm
4. 硬件异常产生，如：非法访问内存(段错误)、除0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)
5. 命令产生，如：kill命令

递达：递送并且到达进程。
未决：产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。

信号的处理方式:

• 执行默认动作
• 忽略(丢弃)
• 捕捉(调用户处理函数)
  

       Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体，task_struct, 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。
  
  PCB 中包含了描述信号的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。它们都是集合（无序但不重复），1,2,3,4,5,…描述是信号的编号，里面的0101…描述的是信号的状态。

1.3 信号的编号

可以使用kill –l命令查看当前系统可使用的信号有哪些。

       不存在编号为0的信号。**其中1-31号信号称之为常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为实时信号，驱动编程与硬件相关。**名字上区别不大。而前32个名字各不相同。

1.4 信号四要素

       与变量三要素类似的，每个信号也有其必备4要素，分别是：1. 编号 2. 名称 3. 事件 4. 默认处理动作
可通过man 7 signal查看帮助文档获取。也可查看/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/arch/s390/include/uapi/asm/signal.h

Signal	Value	Action	Comment
SIGHUP	1	Term	Hangup detected on controlling terminal or death of controlling process
SIGINT	2	Term	Interrupt from keyboard
SIGQUIT	3	Core	Quit from keyboard
SIGILL	4	Core	Illegal Instruction
SIGFPE	8	Core	Floating point exception
SIGKILL	9	Term	Kill signal
SIGSEGV	11	Core	Invalid memory reference
SIGPIPE	13	Term	Broken pipe: write to pipe with no readers
SIGALRM	14	Term	Timer signal from alarm(2)
SIGTERM	15	Term	Termination signal
SIGUSR1	30,10,16	Term	User-defined signal 1
SIGUSR2	31,12,17	Term	User-defined signal 2
SIGCHLD	20,17,18	Ign	Child stopped or terminated
SIGCONT	19,18,25	Cont	Continue if stopped
SIGSTOP	17,19,23	Stop	Stop process
SIGTSTP	18,20,24	Stop	Stop typed at terminal
SIGTTIN	21,21,26	Stop	Terminal input for background process
SIGTTOU	22,22,27	Stop	Terminal output for background process

       The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored.
       在标准信号中，有一些信号是有三个“Value”，第一个值通常对alpha和sparc架构有效，中间值针对x86、arm和其他架构，最后一个应用于mips架构。一个‘-’表示在对应架构上尚未定义该信号。
       不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在Unix系统内，也出现在Linux中，而有的信号出现在FreeBSD或Mac OS中却没有出现在Linux下。这里我们只研究Linux系统中的信号。

默认动作：

• Term：终止进程
• Ign： 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)
• Core：终止进程，生成Core文件。(查验进程死亡原因， 用于gdb调试)
• Stop：停止（暂停）进程
• Cont：继续运行进程

       注意从man 7 signal帮助文档中可看到 : The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored.
       这里特别强调了**9) SIGKILL 和19) SIGSTOP信号，不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。**另外需清楚，只有每个信号所对应的事件发生了，该信号才会被递送(但不一定递达)，不应乱发信号！！

1.5 Linux常规信号一览表

1. SIGHUP: 当用户退出shell时，由该shell启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程
2. SIGINT：当用户按下了组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动
   作为终止进程。
3. SIGQUIT：当用户按下组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信
   号。默认动作为终止进程。
4. SIGILL：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件
5. SIGTRAP：该信号由断点指令或其他 trap指令产生。默认动作为终止里程 并产生core文件。
6. SIGABRT: 调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
7. SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生core文件。
8. SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
9. SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了可以杀死任何进程的方法。
10. SIGUSE1：用户定义 的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
11. SIGSEGV：指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生core文件。
12. SIGUSR2：另外一个用户自定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
13. SIGPIPE：Broken pipe向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
14. SIGALRM: 定时器超时，超时的时间 由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。
15. SIGTERM：程序结束信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。执行shell命令Kill时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。
16. SIGSTKFLT：Linux早期版本出现的信号，现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。
17. SIGCHLD：子进程结束时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。
18. SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。
19. SIGSTOP：停止进程的执行。信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为暂停进程。
20. SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。按下组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。
21. SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。
22. SIGTTOU: 该信号类似于SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。
23. SIGURG：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出些信号，报告有紧急数据到达。如网络带外数据到达，默认动作为忽略该信号。
24. SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间 ，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。
25. SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。
26. SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。
27. SGIPROF：类似于SIGVTALRM，它不公包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。
28. SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。
29. SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。
30. SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。
31. SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。
32. SIGRTMIN ～ (64) SIGRTMAX：LINUX的实时信号，它们没有固定的含义（可以由用户自定义）。所有的实时信号的默认动作都为终止进程。

2. 信号的产生方式

2.1 终端按键产生信号

Ctrl + C  → 2) SIGINT（终止/中断）	 "INT" ----Interrupt
Ctrl + Z  → 20) SIGTSTP（暂停/停止）  "T" ----Terminal 终端。
Ctrl + \  → 3) SIGQUIT（退出）	

2.2 硬件异常产生信号

除0操作        → 8) SIGFPE (浮点数例外)	"F" -----float 浮点数。
非法访问内存   → 11) SIGSEGV (段错误)
总线错误       → 7) SIGBUS	

2.3 kill函数/命令产生信号

kill命令产生信号：kill -SIGKILL pid
kill函数：int kill(pid_t pid, int sig);给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

• 成功：0；失败：-1 (ID非法，信号非法，普通用户杀init进程等权级问题)，设置errno
• sig：不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
• pid > 0: 发送信号给指定的进程。
• pid = 0: 发送信号给 与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程。
• pid < 0: 取|pid|发给对应进程组。
• pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。

进程组：每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程集合，他们相互关联，共同完成一个实体任务，每个进程组都有一个进程组长，默认进程组ID与进程组长ID相同。
权限保护：super用户(root)可以发送信号给任意用户，普通用户是不能向系统用户发送信号的。 kill -9 (root用户的pid) 是不可以的。同样，普通用户也不能向其他普通用户发送信号，终止其进程。 只能向自己创建的进程发送信号。普通用户基本规则是：发送者实际或有效用户ID == 接收者实际或有效用户ID

练习：循环创建5个子进程，任一子进程用kill函数终止其父进程。

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main(){
    //循环建立五个子进程
    int i;
    pid_t pid,pidVal;
    for(i = 0;i < 5;i++){
        pid = fork();
        if(pid == 0){
            break;
        }
        if(i == 2){
            pidVal = pid;
        }
    }
    if(i < 5){//子进程
        while(1){
            cout << "I am " << i+1 << " child! pid = " << getpid() <<endl;
            sleep(1);
        }
    }else{//父进程
        sleep(1);
        cout << "I am father!" << endl;
        kill(pidVal,SIGKILL);
        while(1);
    }
    //int ret = kill(pidVal,SIGKILL);
    //if(ret == -1){
    //    perror("kill error");
    //    exit(1);
    //}
    return 0;
}

kill SIGKILL -用户组PID杀死用户组所有进程

2.4 raise和abort函数

raise 函数：给当前进程发送指定信号(自己给自己发) raise(signo) == kill(getpid(), signo);
int raise(int sig); 成功：0，失败非0值
abort 函数：给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT 信号，终止并产生core文件
void abort(void); 该函数无返回

2.5 软件条件产生信号

2.5.1 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。
• 每个进程都有且只有唯一个定时器。
• unsigned int alarm(unsigned int seconds); 返回0或剩余的秒数，无失败。

常用：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。
例：alarm(5) → 3sec → alarm(4) → 5sec → alarm(5) → alarm(0)
       返回0 ————————————>返回2 ————————————>返回0——————>返回5；

       定时，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。

练习：编写程序，测试你使用的计算机1秒钟能数多少个数。

#include 
#include 

using namespace std;

int main(){
    int i;
    alarm(1);
    for(i = 0;;i++){
        cout << i << " ";
    }
    return 0;
}

       使用time命令：time ./a.out查看程序执行的时间。 程序运行的瓶颈在于IO，优化程序，首选优化IO。
       实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间 (等待其他系统资源所消耗的时间)

2.5.2 setitimer函数

• 设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us，可以实现周期定时。
• int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
• 成功：0；失败：-1，设置errno
• 参数：
  • which：指定定时方式
    • ① 自然定时：ITIMER_REAL → 14）SIGLARM 计算自然时间
    • ② 虚拟空间计时(用户空间)：ITIMER_VIRTUAL → 26）SIGVTALRM 只计算进程占用cpu的时间
    • ③ 运行时计时(用户+内核)：ITIMER_PROF → 27）SIGPROF 计算占用cpu及执行系统调用的时间
  • new_value：传入参数，为重新设定的秒数
  • old_value：传出参数，上个定时器剩余的秒数

//参数
struct itimerval {
	struct timeval it_interval; /* Interval for periodic timer */
	struct timeval it_value;    /* Time until next expiration */
};
struct timeval {
	time_t      tv_sec;         /* seconds */ //秒
	suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */ //微秒
};
//相当于以下结构体
struct itimerval{
	struct timeval it_interval{
		it_terval.tv_sec;
		it_interval.tv_usec;
	}it_interval;
	struct timeval it_interval{
		it_value.tv_sec;
		it_value.tv_usec;
	}it_value;
}it,oldit;

练习: 使用setitimer函数实现alarm函数，重复计算机1秒数数程序。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

unsigned int my_alarm(unsigned int sec){
    struct itimerval it,oldit;
    int ret;
	//都是it,value为秒数，interval为间隔时间；oldit为传出参数
    it.it_value.tv_sec = sec;
    it.it_value.tv_usec = 0;
    it.it_interval.tv_sec = 0;
    it.it_interval.tv_usec = 0;
    
    ret = setitimer(ITIMER_REAL,&it,&oldit);
    if(ret == -1){
        perror("setitimer error");
        exit(1);
    }
    return oldit.it_value.tv_sec;
}

int main(){
    int i;
    my_alarm(1);//相当于alarm(1)
    for(i = 0;;i++){
        cout << i <<" ";
    }
    return 0;
}

• it_interval：用来设定两次定时任务之间间隔的时间。
• it_value：定时的时长
• 两个参数都设置为0，即清0操作。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void myfunc(int sig){
    cout << "hello signal!" << endl;
}

int main(){
    struct itimerval it,oldit;
    signal(SIGALRM,myfunc);//注册SIGALRM信号的捕捉处理函数
    
    it.it_value.tv_sec = 5;//定时5s
    it.it_value.tv_usec = 0;

    it.it_interval.tv_sec = 3;//第一个闹钟和第二个闹钟之间间隔3s
    it.it_interval.tv_usec = 0;

    if(setitimer(ITIMER_REAL,&it,&oldit) == -1){
        perror("setitimer error");
        return -1;
    }
    while(1);
    return 0;
}

第一次打印是5s，之后打印是间隔3s

3. 信号集操作函数

       内核通过读取未决信号集来判断信号是否应被处理。（阻塞信号集）信号屏蔽字mask可以影响未决信号集。而我们可以在应用程序中自定义set来改变mask。已达到屏蔽指定信号的目的。

3.1 信号集设定

函数	功能	返回值
sigset_t set;	typedef unsigned long sigset_t;
int sigemptyset(sigset_t *set);	将某个信号集清0	成功：0；失败：-1
int sigfillset(sigset_t *set);	将某个信号集置1	成功：0；失败：-1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);	将某个信号加入信号集	成功：0；失败：-1
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);	将某个信号清出信号集	成功：0；失败：-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);	判断某个信号是否在信号集中	返回值：在集合：1；不在：0；出错：-1

sigset_t类型的本质是位图。但不应该直接使用位操作，而应该使用上述函数，保证跨系统操作有效。

3.2 sigprocmask函数

• 用来屏蔽信号、解除屏蔽也使用该函数。其本质，读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB中)
• 严格注意，屏蔽信号：只是将信号处理延后执行(延至解除屏蔽)；而忽略表示将信号丢处理。
• int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
  • 成功：0；失败：-1，设置errno
  • 参数：
    • set：传入参数，是一个位图，set中哪位置1，就表示当前进程屏蔽哪个信号。
    • oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽集。
    • how参数取值： 假设当前的信号屏蔽字为mask
      • SIG_BLOCK: 当how设置为此值，set表示需要屏蔽的信号。相当于 mask = mask|set
      • SIG_UNBLOCK: 当how设置为此，set表示需要解除屏蔽的信号。相当于 mask = mask & ~set
      • SIG_SETMASK: 当how设置为此，set表示用于替代原始屏蔽及的新屏蔽集。相当于 mask = set若，调用sigprocmask解除了对当前若干个信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。

3.3 sigpending函数

• 读取当前进程的未决信号集
• int sigpending(sigset_t *set); set传出参数
  • 返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

练习：把所有常规信号的未决状态打印至屏幕。

#include 
#include 
#include 

using namespace std;
void print_pend(sigset_t *pend){
    for(int i = 0;i < 32;i++){
        //判断信号集中哪个位为1，如果为0，在屏幕上输出‘0’，反之输出‘1’
        if(sigismember(pend,i)== 1){
            putchar('1');
        }else{
            putchar('0');
        }
    }
    cout << endl;
}

int main(){
    /*用自己设置的信号集去影响阻塞信号集，然后由阻塞信号集影响未决信号集*/
    sigset_t myset,oldset,pend;
    sigemptyset(&myset);//把信号集全都设置为0
    sigaddset(&myset,SIGQUIT);//把3号信号设置屏蔽,此信号用ctrl+\产生
    //sigaddset(&myset,SIGINT);//把2号信号设置屏蔽,此信号用ctrl+c产生
    sigaddset(&myset,SIGTSTP);//把20信号设置屏蔽,此信号用ctrl+z产生

    int ret =  sigprocmask(SIG_BLOCK,&myset,&oldset);
    if(ret == -1){
        perror("sigprocmask error");
        exit(1);
    }
    while(1){//循环打印未决信号集
        sigpending(&pend);//pend为传出参数
        print_pend(&pend);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

4. 信号捕捉

4.1 signal函数

注册一个信号捕捉函数：
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
       该函数由ANSI定义，由于历史原因在不同版本的Unix和不同版本的Linux中可能有不同的行为。因此应该尽量避免使用它，取而代之使用sigaction函数。
void (*signal(int signum, void (*sighandler_t)(int))) (int);
能看出这个函数代表什么意思吗？ 注意多在复杂结构中使用typedef。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void func(int sig){
    cout << "signal function" << endl;
}

int main(){
    sighandler_t ret = signal(SIGINT,func);//捕捉ctrl+c
    if(ret == SIG_ERR){
        perror("signal error");
        exit(1);
    }
    while(1);
    return 0;
}

4.2 sigaction函数（重点）

修改信号处理动作（通常在Linux用其来注册一个信号的捕捉函数）
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

• 成功：0；失败：-1，设置errno
• 参数：
  • act：传入参数，新的处理方式。
  • oldact：传出参数，旧的处理方式。

struct 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);
};

• sa_restorer：该元素是过时的，不应该使用，POSIX.1标准将不指定该元素。(弃用)
• sa_sigaction：当sa_flags被指定为SA_SIGINFO标志时，使用该信号处理程序。(很少使用)
• 重点掌握：
  • 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。

4.3 信号捕捉特性

1. 进程正常运行时，默认PCB中有一个信号屏蔽字，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☆。
2. XXX信号捕捉函数执行期间，XXX信号自动被屏蔽。
3. 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）

为某个信号(ctrl+c)设置捕捉函数

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void func(int sig){
    cout << "signal is catched " << endl;
}
int main(){
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = func;
    sigemptyset(&act.sa_mask);//sa_mask为所要屏蔽的信号集合，此步先把act.sa_mask集合清空
    sigaddset(&act.sa_mask,SIGQUIT);//此步设置SIGQUIT(ctrl + c)信号为要屏蔽的信号
    act.sa_flags = 0;//默认属性，信号捕捉函数执行期间，自动屏蔽本信号
    int ret = sigaction(SIGINT,&act,NULL);
    if(ret < 0){
        perror("sigaction error");
        exit(1);
    }
    while(1);

    return 0;
}

验证在信号处理函数执行期间，该信号多次递送，那么只在处理函数之行结束后，处理一次。
验证sa_mask在捕捉函数执行期间的屏蔽作用。

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void func(int sig){
    cout << "signal is catched!!!" << endl;
    sleep(10);
    cout << "finished!!!" << endl;
}
int main(){
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = func;
    sigemptyset(&act.sa_mask);//sa_mask为所要屏蔽的信号集合，此步先把act.sa_mask集合清空
    sigaddset(&act.sa_mask,SIGQUIT);//此步设置SIGQUIT信号为要屏蔽的信号ctrl+\
    act.sa_flags = 0;//默认属性，信号捕捉函数执行期间，自动屏蔽本信号
    int ret = sigaction(SIGINT,&act,NULL);
    if(ret < 0){
        perror("sigaction error");
        exit(1);
    }
    while(1);
    return 0;
}

       第一次执行ctrl+c时，此信号被捕捉，然后执行信号捕捉函数。执行捕捉函数期间，信号ctrl+c多次递送，但是只在处理函数结束后处理一次。捕捉函数执行期间递送屏蔽信号ctrl+\，并不执行该信号，只在函数结束后执行默认动作。

4.4 内核实现信号捕捉过程：

5. 竞态条件(时序竞态)：

5.1 pause函数

• 调用该函数可以造成进程主动挂起，等待信号唤醒。调用该系统调用的进程将处于阻塞状态(主动放弃cpu) 直到有信号递达将其唤醒。
• int pause(void); 返回值：-1 并设置errno为EINTR
  • 返回值：
    • ① 如果信号的默认处理动作是终止进程，则进程终止，pause函数么有机会返回。
    • ② 如果信号的默认处理动作是忽略，进程继续处于挂起状态，pause函数不返回。
    • ③ 如果信号的处理动作是捕捉，则【调用完信号处理函数之后，pause返回-1】
    • ④ pause收到的信号不能被屏蔽，如果被屏蔽，那么pause就不能被唤醒。
    • errno设置为EINTR，表示“被信号中断”。想想我们还有哪个函数只有出错返回值。

使用pause和alarm来实现sleep函数。

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
//捕捉函数
void catch_sigalarm(int signo){
    ;
}

unsigned int mysleep(unsigned int seconds){
    struct sigaction act,oldact;
    act.sa_handler = catch_sigalarm;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;

    int ret = sigaction(SIGALRM,&act,&oldact);
    if(ret == -1){
        perror("sigaction error");
        exit(1);
    }
    alarm(seconds);
    ret = pause();//主动挂起，等待信号
    if(ret == -1 && errno == EINTR){
        cout << "pause sucess!!!" << endl;
    }
    ret = alarm(0);//
    sigaction(SIGALRM,&oldact,NULL);//恢复SIGALRM信号旧有的处理方式
    return ret;
}

int main(){
    mysleep(3);
    cout << "-------------" << endl;
    return 0;
}

注意，unslept = alarm(0)的用法。清除闹钟，提高程序健壮性

例如：睡觉，alarm(10)闹铃。
正常： 10后闹铃将我唤醒，这时额外设置alarm(0)取消闹铃，不会出错。
异常： 5分钟，被其他事物吵醒，alarm(0)取消闹铃防止打扰。

5.2 时序竞态

5.2.1 前导例

设想如下场景：
欲睡觉，定闹钟10分钟，希望10分钟后闹铃将自己唤醒。
正常：定时，睡觉，10分钟后被闹钟唤醒。
异常：闹钟定好后，被唤走，外出劳动，20分钟后劳动结束。回来继续睡觉计划，但劳动期间闹钟已经响过，不会再将我唤醒。

5.2.2 时序问题分析

回顾，借助pause和alarm实现的mysleep函数。设想如下时序：
1. 注册SIGALRM信号处理函数 （sigaction…)
2. 调用alarm(1) 函数设定闹钟1秒。
3. 函数调用刚结束，开始倒计时1秒。当前进程失去cpu，内核调度优先级高的进程(有多个)取代当前进程。当前进程无法获得cpu，进入就绪态等待cpu。
4. 1秒后，闹钟超时，内核向当前进程发送SIGALRM信号(自然定时法，与进程状态无关)，高优先级进程尚未执行完，当前进程仍处于就绪态，信号无法处理(未决)
5. 优先级高的进程执行完，当前进程获得cpu资源，内核调度回当前进程执行。SIGALRM信号递达，信号设置捕捉，执行处理函数sig_alarm。
6. 信号处理函数执行结束，返回当前进程主控流程，pause()被调用挂起等待。（欲等待alarm函数发送的SIGALRM信号将自己唤醒）
7. SIGALRM信号已经处理完毕，pause不会等到。

5.2.3 解决时序问题

       可以通过设置屏蔽SIGALRM的方法来控制程序执行逻辑，但无论如何设置，程序都有可能在“解除信号屏蔽”与“挂起等待信号”这个两个操作间隙失去cpu资源。除非将这两步骤合并成一个“原子操作（不可再分的：系统调用）”。sigsuspend函数具备这个功能。在对时序要求严格的场合下都应该使用sigsuspend替换pause。

int sigsuspend(const sigset_t *mask); 挂起等待信号。
sigsuspend函数调用期间，进程信号屏蔽字由其参数mask指定。
       可将某个信号（如SIGALRM）从临时信号屏蔽字mask中删除，这样在调用sigsuspend时将解除对该信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值。如果原来对该信号是屏蔽态，sigsuspend函数返回后仍然屏蔽该信号。

改进版mysleep【sigsuspend】

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
//捕捉函数
void catch_sigalarm(int signo){
    ;
}

unsigned int mysleep(unsigned int seconds){
    struct sigaction act,oldact;
    sigset_t newmask,oldmask,suspmask;//设置信号集
    //1.为SIGALRM设置捕捉函数，一个空函数
    act.sa_handler = catch_sigalarm;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    int ret = sigaction(SIGALRM,&act,&oldact);
    if(ret == -1){
        perror("sigaction error");
        exit(1);
    }
    //2. 设置阻塞信号集，阻塞信号SIGALRM信号
    sigemptyset(&newmask);
    sigaddset(&newmask,SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask,&oldmask);//设置屏蔽信号，此时newmask中SIGALRM信号为屏蔽状态
    //3.定时n秒，定时结束后产生SIGALRM信号
    alarm(seconds);
    //4. 构造一个调用sigsuspend临时有效的阻塞信号集，
    //在临时阻塞信号集里解除SIGALRM信号
    suspmask = oldmask;//sigprocmask的传出参数
    sigdelset(&suspmask,SIGALRM);//保证信号集suspmask中SIGALRM信号为解除状态
    /*
     5. sigsuspend调用期间，采用临时阻塞信号集suspmask替换原有阻塞信号集
    这个信号集中不包含SIGALRM信号
    同时挂起等待，当sigsuspend被信号唤醒返回时，恢复原有的阻塞信号集
·   */
    sigsuspend(&suspmask);

    unsigned int unret = alarm(0);//
    sigaction(SIGALRM,&oldact,NULL);//恢复SIGALRM信号旧有的处理方式
    //7. 解除对SIGALRM的阻塞
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);

    return unret;
}

int main(){
    mysleep(3);
    cout << "-------------" << endl;
    return 0;
}

5.2.4 总结

       竞态条件，跟系统负载有很紧密的关系，体现出信号的不可靠性。系统负载越严重，信号不可靠性越强。
       不可靠由其实现原理所致。信号是通过软件方式实现(跟内核调度高度依赖，延时性强)，每次系统调用结束后，或中断处理处理结束后，需通过扫描PCB中的未决信号集，来判断是否应处理某个信号。当系统负载过重时，会出现时序混乱。
       这种意外情况只能在编写程序过程中，提早预见，主动规避，而无法通过gdb程序调试等其他手段弥补。且由于该错误不具规律性，后期捕捉和重现十分困难。

5.3 全局变量异步I/O

       分析如下父子进程交替数数程序。当捕捉函数里面的sleep取消，程序即会出现问题。请分析原因。

#include 
#include 
#include 
#include 

int n = 0, flag = 0;
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
void do_sig_child(int num)
{
    printf("I am child  %d\t%d\n", getpid(), n);
    n += 2;
    flag = 1;
    sleep(1);
}
void do_sig_parent(int num)
{
    printf("I am parent %d\t%d\n", getpid(), n);
    n += 2;
    flag = 1;
    sleep(1);
}
int main(void)
{
    pid_t pid;
	struct sigaction act;

    if ((pid = fork()) < 0)
        sys_err("fork");
    else if (pid > 0) {     //父进程
        n = 1;
        sleep(1);//父进程沉睡1s，让子进程完成捕捉函数注册
        act.sa_handler = do_sig_parent;
        sigemptyset(&act.sa_mask);
        act.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGUSR2, &act, NULL); //注册自己的信号捕捉函数  父使用SIGUSR2信号
        do_sig_parent(0);						  
        while (1) {
            /* wait for signal */;
           if (flag == 1) {                         //父进程数数完成
                kill(pid, SIGUSR1);
                flag = 0;                        //标志已经给子进程发送完信号
            }
        }
    } else if (pid == 0) {       
        n = 2;
        act.sa_handler = do_sig_child;
        sigemptyset(&act.sa_mask);
        act.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);

        while (1) {
            /* waiting for a signal */;
            if (flag == 1) {
                kill(getppid(), SIGUSR2);
                flag = 0;
            }
        }
    }
    return 0;
}									

       示例中，通过flag变量标记程序实行进度。flag置1表示数数完成。flag置0表示给对方发送信号完成。
       问题出现的位置，在父子进程kill函数之后需要紧接着调用 flag，将其置0，标记信号已经发送。但，在这期间很有可能被kernel调度，失去执行权利，而对方获取了执行时间，通过发送信号回调捕捉函数，从而修改了全局的flag。
       如何解决该问题呢？可以使用后续课程讲到的“锁”机制。当操作全局变量的时候，通过加锁、解锁来解决该问题。
       现阶段，我们在编程期间如若使用全局变量，应在主观上注意全局变量的异步IO可能造成的问题。

5.4 可/不可重入函数

       一个函数在被调用执行期间(尚未调用结束)，由于某种时序又被重复调用，称之为“重入”。根据函数实现的方法可分为“可重入函数”和“不可重入函数”两种。看如下时序。

       显然，insert函数是不可重入函数，重入调用，会导致意外结果呈现。究其原因，是该函数内部实现使用了全局变量。

注意事项：

1. 定义可重入函数，函数内不能含有全局变量及static变量，不能使用malloc、free
2. 信号捕捉函数应设计为可重入函数
3. 信号处理程序可以调用的可重入函数可参阅man 7 signal
4. 没有包含在上述列表中的函数大多是不可重入的，其原因为：
   a) 使用静态数据结构
   b) 调用了malloc或free
   c) 是标准I/O函数

6. SIGCHLD信号

6.1 SIGCHLD的产生条件

• 子进程终止时
• 子进程接收到SIGSTOP信号停止时
• 子进程处在停止态，接受到SIGCONT后唤醒时

6.2 借助SIGCHLD信号回收子进程

子进程结束运行，其父进程会收到SIGCHLD信号。该信号的默认处理动作是忽略。可以捕捉该信号，在捕捉函数中完成子进程状态的回收。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
void do_sig_child(int signo)//信号捕捉函数
{
    int status;
    pid_t pid;
    //回收子进程
    while ((pid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) {
        if (WIFEXITED(status))
        	cout << "child " << pid << " exit " << WEXITSTATUS(status) << endl;
        else if (WIFSIGNALED(status))
        	cout << "child " << pid << " cancle signal  " << WTERMSIG(status) << endl;
    }
}
int main(void)
{
    pid_t pid;    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {//循环创建n个子进程
        if ((pid = fork()) == 0)
            break;
        else if (pid < 0)
            sys_err("fork");
    }
    if (pid == 0) {  //十个子进程  
        int n = 1;
        while (n--) {
        	cout << "child ID " << getpid() << endl;//每个子进程打印一次
            sleep(1);
        }
        return i+1;//子进程退出返回值1-10
    } else if (pid > 0) {//父进程
    	//加上   SIGCHLD阻塞
    	//.....
        struct sigaction act;
        act.sa_handler = do_sig_child;
        sigemptyset(&act.sa_mask);
        act.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
        //加上 解除对SIGCHLD的阻塞
        //.....
        while (1) {
            cout << "parent ID " << getpid() << endl;
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

       结合 17)SIGCHLD 信号默认动作，掌握父使用捕捉函数回收子进程的方式。
       如果每创建一个子进程后不使用sleep可以吗？可不可以将程序中，捕捉函数内部的while替换为if？为什么？ if ((pid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) { … }
       不能替换为if ，因为内核是根据未决信号集来处理信号，如果一个信号重复发送，信号只会记录一次，可能其他信号不会被处理，所以会产生僵尸进程
       思考：信号不支持排队，当正在执行SIGCHLD捕捉函数时，再过来一个或多个SIGCHLD信号怎么办？用while处理

6.3 子进程结束status处理方式

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)

options	说明
WNOHANG	没有子进程结束，立即返回
WUNTRACED	如果子进程由于被停止产生的SIGCHLD，waitpid则立即返回
WCONTINUED	如果子进程由于被SIGCONT唤醒而产生的SIGCHLD，waitpid则立即返回

获取status	说明
WIFEXITED(status)	子进程正常exit终止，返回真
WEXITSTATUS(status)	返回子进程正常退出值
WIFSIGNALED(status)	子进程被信号终止，返回真
WTERMSIG(status)	返回终止子进程的信号值
WIFSTOPPED(status)	子进程被停止，返回真
WSTOPSIG(status)	返回停止子进程的信号值
WIFCONTINUED(status)	子进程接收到SIGCONT信号继续执行

6.4 SIGCHLD信号注意问题

1. 子进程继承了父进程的信号屏蔽字和信号处理动作，但子进程没有继承未决信号集spending。
2. 注意注册信号捕捉函数的位置。
3. 应该在fork之前，阻塞SIGCHLD信号。注册完捕捉函数后解除阻塞。

7. 信号传参（了解）

7.1 发送信号传参

sigqueue函数对应kill函数，但可在向指定进程发送信号的同时携带参数
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);成功：0；失败：-1，设置errno

union sigval {
           int   sival_int;
           void *sival_ptr;
};

       向指定进程发送指定信号的同时，携带数据。但，如传地址，需注意，不同进程之间虚拟地址空间各自独立，将当前进程地址传递给另一进程没有实际意义。

7.2 捕捉函数传参

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

struct sigaction {
           void     (*sa_handler)(int);
           void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
           sigset_t   sa_mask;
           int       sa_flags;
           void     (*sa_restorer)(void);
};

       当注册信号捕捉函数，希望获取更多信号相关信息，不应使用sa_handler而应该使用sa_sigaction。但此时的sa_flags必须指定为SA_SIGINFO。siginfo_t是一个成员十分丰富的结构体类型，可以携带各种与信号相关的数据。

8. 中断系统调用

系统调用可分为两类：慢速系统调用和其他系统调用。

1. 慢速系统调用：可能会使进程永远阻塞的一类。如果在阻塞期间收到一个信号，该系统调用就被中断,不再继续执行(早期)；也可以设定系统调用是否重启。如，read、write、pause、wait…
2. 其他系统调用：getpid、getppid、fork…

结合pause，回顾慢速系统调用：
慢速系统调用被中断的相关行为，实际上就是pause的行为： 如，read

• ① 想中断pause，信号不能被屏蔽。
• ② 信号的处理方式必须是捕捉 (默认、忽略都不可以)
• ③ 中断后返回-1， 设置errno为EINTR(表“被信号中断”)

       可修改sa_flags参数来设置被信号中断后系统调用是否重启。SA_INTERRURT不重启。 SA_RESTART重启。
扩展了解：
       sa_flags还有很多可选参数，适用于不同情况。如：捕捉到信号后，在执行捕捉函数期间，不希望自动阻塞该信号，可将sa_flags设置为SA_NODEFER，除非sa_mask中包含该信号