Linux——信号与信号捕捉

1，信号的概念

•  信号的属性      

       信号在我们的生活中随处可见，如：古代战争中摔杯为号；现代战争中的信号弹；体育比赛中使用的信号枪......他们都有共性：1. 简单 2. 不能携带大量信息 3. 满足某个特设条件才发送。

       信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式，现下依然是主要的通信手段。

•  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（不像硬件中断那么靠谱），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。    

•  信号的种类

       可以通过在命令行执行kill -l 来查看linux提供的所有的信号，其中34-64号信号称之为实时信号，在驱动层开发和嵌入式开发用的到，应用层开发用不到。1-31号信号是常用的信号，要求要掌握以下几种（2号信号，3号信号，7号信号到15号信号，17号信号，19号信号，20号信号）。记不住没有关系，可通过man 7 signal查看帮助文档获取。

•  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

    事件是指，每个信号都是由特定的错误引发的，比如内存溢出错误只能引发11号错误，而不能引发2号错误。其他的三要素都是比较好理解的。

2，信号集操作函数

     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。

• 信号屏蔽字

       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      

      1. 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。

      2. 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。

3，产生信号的5种方法

• 按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\      

        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）

• 系统调用产生，如：kill、raise、abort     

        kill函数：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

               int kill(pid_t pid, int sig);  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)，

              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。       

         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 

• 软件条件产生，如：定时器alarm

          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。

          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。      

        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：新设置的定时时长

                                old_value：上一次定时还剩多少时长

                 注意，类itimerval中有两个成员it_interval和it_value，其具体含义如下：

                           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                               

                           注意，如果上面两个参数都设置为0，即清0操作。

• 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)       

        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 

• 命令产生，如：kill命令

        kill命令产生信号：kill  -num pid  注意这个命令的含义是，使用kill给进程号为pid(当pid>0的时候)的进程发送 num号命令。pid的取值的含义和上面的函数kill是一致的。       

        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

4，信号的处理方式

• 执行默认动作     

       默认动作可以有下面的五种：

                 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！！

• 忽略(丢弃)

         即时对该种信号忽略操作。

• 捕捉(调用户处理函数)

         见下面5所介绍的使用方法

5，信号的捕捉

• 注册信号捕捉函数    

       typedef void (*sighandler_t)(int);

       sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);//sighandler_t 是函数指针，一旦捕捉到信号，就会执行对应的函数。

       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。

#include 
#include 
#include 

void myfunc(int signo)
{
    printf("hello world\n");    
    raise(SIGALRM); 
}

int main(void)
{
	struct itimerval it, oldit;
	signal(SIGALRM, myfunc);   //注册SIGALRM信号的捕捉处理函数。，注意这里只是注册，捕捉动作是内核做的，捕捉到以后也是内核调用的myfunc函数

	it.it_value.tv_sec = 5; //定时的时长
	it.it_value.tv_usec = 0;

	it.it_interval.tv_sec = 3;//用来设定两次定时任务之间间隔的时间。实现周期定时
	it.it_interval.tv_usec = 0;

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

	while(1);

	return 0;
}

• sigaction函数（重要）     

      和signal的作用是一样的，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

      下面介绍一下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。自动屏蔽本信号，如果屏蔽函数执行期间，又来了一个本信号，那么当sa_flags = 0时，同样是可以屏蔽的。

• 信号捕捉的特性     

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。因为sa_flags设置成了0。
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）

• 内核实现信号捕捉的过程

6，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。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。

• 信号集设定        

          使用下面这些函数可以设置自己定义的信号集的内容。

          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，将signum号信号置1            成功：0；失败：-1

          int sigdelset(sigset_t *set, int signum);              将某个信号清出信号集，将signum号信号置0            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

          第二个参数signum是信号编号。

          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。

• 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

       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，自己定义的信号集。

                  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

                             1.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

                             2.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

                             3.SIG_SETMASK: 当how设置为此，set表示用于替代原始屏蔽集的新屏蔽集。相当于 mask = set

 

• 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

//sigprocmask和sigpending函数的使用
#include 
#include 
#include 
#include 

void printset(sigset_t *ped)
{
	int i;
	for(i = 1; i < 32; i++){
		if((sigismember(ped, i) == 1)){//判断信号是否在集合中
			putchar('1');
		} else {
			putchar('0');
		}
	}
	printf("\n");
}

int main(void)
{
	sigset_t set, ped;
#if 0
	sigemptyset(&set);
	sigaddset(&set, SIGINT);
	sigaddset(&set, SIGQUIT);
	//sigaddset(&set, SIGKILL); 9号信号不可以被屏蔽
	sigaddset(&set, SIGSEGV);
#endif
	sigfillset(&set);
	sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);	//不获取原屏蔽字

	while(1){//因为未决信号集是一直变化的，这样可以多次打印
		sigpending(&ped);       //获取未决信号集
		printset(&ped);
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

7，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。

34) 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。