_Linux 进程信号-信号处理篇

前言

信号发送
信号处理
已经讲过，本章讲解信号处理最后一部分。

捕捉信号

• 信号捕捉过程图
  
  经过信号捕捉过程图：我们知道信号产生后在内核态中，从内核态返回一行态的时候进行信号检测和处理！

1. 内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下:
用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函 数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是 两个独立的控制流程。sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

2. sigaction

上次我们学习过捕捉信号的函数signal；这次我们再次学习一个。

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

• sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:
• 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。

当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。

代码验证

#include 
#include 
#include 

using namespace std;


void showPending(sigset_t& pending)
{
    for (int i = 1; i <= 31; ++i)
    {
        if (sigismember(&pending, i)) // 查找信号
            cout << "1";              // 在
        else
            cout << "0"; // 不在
    }
    cout << endl;
}

void handler(int sigNum)
{
    cout << "捕捉到一个信号 "
         << "sig: " << sigNum << endl;

    sigset_t pending;
    int c = 20;
    while (c--)
    {
        // 读取当前进程的未决信号集
        sigpending(&pending);
        // 打印出来
        showPending(pending);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    cout << "getpid: " << getpid() << endl;
    // 内核数据类型，用户栈定义的
    //        struct sigaction {
    //        void     (*sa_handler)(int);
    //        void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    //        sigset_t   sa_mask;
    //        int        sa_flags;
    //        void     (*sa_restorer)(void);
    //    };
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 清空; 默认0；表示默认处理 1：表示忽略处理
    act.sa_handler = handler;

    //额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaddset(&act.sa_mask, 4);
    sigaddset(&act.sa_mask, 5);

    // 设置进当前调用进程的pcb中
    sigaction(2, &act, &oact);

    cout << "default action : " << (int)(oact.sa_handler) << endl;
    while(true) sleep(1);

    return 0;
}

• 实验结果运行图：
  

可重入函数

—(图片摘抄于教材资料)

• main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步,刚做完第一步的 时候,因为硬件中断使进程切换到内核,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于是切换 到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2,插入操作的 两步都做完之后从sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续 往下执行,先前做第一步
  之后被打断,现在继续做完第二步。结果是,main函数和sighandler先后 向链表中插入两个节点,而最后只有一个节点真正插入链表中了。

• 像上例这样,insert函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称为重入,insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为 不可重入函数,反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数。

• 如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

  • 调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
  • 调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

volatile(关键字)

• 该关键字在C当中我们已经有所涉猎，今天我们站在信号的角度重新理解一下。
• 相同的代码在不同的编译器下；运行结果可能就不同了
  
• 代码：

int flag=0;
void handler(int signum)
{
    (void)signum;
    cout << "change flag: " << flag;
    flag = 1;
    cout << "->" << flag << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler); // 捕捉2号信号

    while(!flag);
    cout << "进程正常退出后：" << flag << endl;
    return 0;
}

• 因为在main函数里面我们flag并未改变；编译器优化后（把flag值直接存到cpu中的寄存器—edx中），本来读内存的变成了读寄存器里的内容。
• 这个时候我们需要告诉编译器；不用优化。需要volatile关键字保存内存的可见性。
• 添加关键字后结果展示：（volatile int flag=0;）
  

SIGCHLD信号

• wait和waitpid函数清理僵尸进程,父进程可以阻塞等待子进程结束,也可以非阻 塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。采用第一种方式,父进程阻塞了就不能处理自己的工作了;采用第二种方式,父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下,程序实现复杂。
• 其实,子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号,该信号的默认处理动作是忽略,父进程可以自 定义SIGCHLD信号的处理函数,这样父进程只需专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程 终止时会通知父进程,父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。
• 事实上,由于UNIX 的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不 会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略 通常是没有区别的,但这是一个特例。

实验一

证明 子进程退出，会想父进程发送信号

• 代码：

void handler(int signum)
{
    pid_t id;
    while ((id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0)
    {
        cout<<"子进程退出成功: "<<id<<endl;
    }
}

// 证明 子进程退出，会想父进程发送信号
int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    if (fork() == 0)
    {
        cout << "child pid: " << getpid() << endl;
        sleep(2);
        exit(0);
    }

    while (true)
        sleep(1);
}

实验二

• 如果我们不想等待子进程，并且我们还想让子进程退出之后，自动释放僵尸子进程。

int main()
{
    // OS 默认就是忽略的
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 手动设置对子进程进行忽略
    if (fork() == 0)
    {
        cout << "child pid: " << getpid() << endl;
        sleep(2);
        exit(0);
    }

    while (true)
    {
        cout << "parent: " << getpid() << " 执行我自己的任务!" << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

注意：OS默认忽略，子进程会变成僵尸进程，手动就程序结束自动回收了。