Linux的进程信号(下)
文章目录
- 1. 阻塞信号
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- 1.1 信号其他相关常见概念
- 1.2 在内核中的表示
- 2. sigset_t
- 3. 信号集操作函数
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- 3.1 sigprocmask
- 3.2 sigpending
- 3.3. 实例演示
- 4. 信号的处理
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- 4.1. sigaction
- 4.2 多个信号的处理
- 5. 可重入函数
- 6. volatile
- 7. SIGCHLD信号
1. 阻塞信号
1.1 信号其他相关常见概念
1.实际执行信号的处理动作称为信号递达(默认，忽略，自定义捕捉)。
2.信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决。
3.进程可以选择阻塞 (Block)某个信号。
4.被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞才执行递达的动作。
5.阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。
1.2 在内核中的表示
信号在内核中的示意图：
这里的pending就是前面说的位图，用来识别信号。handler就是函数指针数组，用来处理信号的。block(阻塞方法集)也是位图，它和pending的结构是一样的，几号bit位代表几号信号，表示该信号是否阻塞。
每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。
在上图的例子中，SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作。
SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号。因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。
如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，将如何处理？
Linux是这样实现的：常规信号在递达之前产生多次只计一次，而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。
2. sigset_t
从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志，非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储。sigset_t称为信号集，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。
3. 信号集操作函数
sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现。从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量，而不应该对它的内部数据做
任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。
1.函数sigemptyset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号。
2.函数sigfillset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置位设为1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
3.函数sigaddset是添加某个信号到这个信号集中。
4.函数sigdelset是删除某个信号。
5.函数sigismember是判断某个信号是否在信号集中。
注意：在使用sigset_ t类型的变量之前，一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
3.1 sigprocmask
调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集，也就是block表)。
假设当前的信号屏蔽字为mask，下表说明了how参数的可选值：
这里第二个参数set就是我们用户需要输入的，第三个参数是OS返回给用户的。如果oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字(原来的)通过oset参数传出。
如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。
3.2 sigpending
这是一个输出型参数，读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。调用成功则返回0，出错则返回-1。
3.3. 实例演示
当我们获取当前信号集的时候，我们把它打印出来。
打印函数我们要自己写一下：
我们先看一下运行结果：
我们可以看到一开始都是0，现在我们给这个进程发2号信号：
可以看到它并没有把对应的位置打印出来，直接结束进程了。那么我们就需要将2号信号给捕捉一下：
现在我们再看一下运行情况：
这里收到了信号，但是对应的pending信号集里还是没有，因为CPU很快就处理了这个信号，我们看不到。
所以，当我们发送2号信号时，让2号信号block：
这里可以看到，2号信号被阻塞了，但发送了2号信号，对应的pending信号集已经变成1了。
既然我们给它阻塞了，那么我们就需要恢复它。
运行结果如下：
4. 信号的处理
之前说过，进程处理信号，不是立即处理，是在合适的时候，那么到底是什么时候呢？
当当前进程从内核态，切换回用户态的时候，进行信号的检测与处理。
那么什么是内核态和用户态呢？
前面我们说过，进程的会通过虚拟地址空间和页表把用户空间(3G)映射到物理内存。那么这里的页表叫做用户级页表，每一个进程，都有一份，但是大家的用户级页表都是不一样的。
其实在OS还有一份页表叫做内核级页表，它映射的是内核空间(1G)，这个页表所有进程共享一份。
我们知道无论进程怎么切换，我们都可以找到内核的代码和数据，前提是你要有权利访问。
那么我们怎么知道当前进程如何具备权利，访问这个内核页表，乃至访问内核数据呢？
要进行身份切换，进程如果是用户态，那么只能访问用户级页表，进程如果是内核态，可以访问内核级和用户级页表。
那么怎么知道当前进程是用户态还是内核态呢？
CPU内部有对应的状态寄存器，可以用bit位标识当前进程的状态0代表内核态，3代表用户态。
什么时候进入到内核态呢？
系统调用的时候或者时间片到了，进程间切换。
我们的程序会无数次直接或者间接的访问系统软硬件资源(管理者是OS)，本质上，你并没有自己去操作这些软硬件资源，但是通过了OS，从而无数次的陷入内核(1.切换身份，2.切换页表)，然后调用内核的代码，从而完成访问动作，把结果返回给用户(1.切换身份，2.切换页表)。
举个例子：
在我们的代码中写了一个系统调用open，当执行到open时，就会进入内核态，当执行完open函数时，OS会检测进程的PCB，检测PCB里面的信号(block&&pending)，假设block为0，pending为1，那么就会去执行对应的handler，假设handler是我们自己定义的方法：
但是当我们执行完自己的handler方法时，它会直接去执行open后面的代码吗？
答案是：不会。原因是：我们是执行open函数时遇到信号了，当处理完信号后，open并没有返回值，所以我们不能直接执行open后面的代码。而是先回到内核态通过处理再回到用户态执行open后面的代码。
那么这里是以谁的身份去执行这个handler呢？
可能大家会认为是内核身份，虽然内核态可以去执行，但是它不愿意。这里只能用户级身份来执行。原因是：这个handler是我们自己写的，如果在里面我们写了一段恶意代码，让内核去执行，那么就可能造成问题。
完整过程：
4.1. sigaction
sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作，也就是获取和修改handler表。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。
这个函数和signal功能是差不多的，但是signal比较简单。
那么我们先看一下sigaction的结构体：
我们暂时先考虑这两个参数，其它的暂时不考虑。
代码演示：
这里我们设置了一个自定义捕捉动作。
当收到信号时，完成了自定义捕捉动作。
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。
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。
举个例子：
运行结果：
首先执行的是主函数里面的sleep。
当我们发送2号信号时，它就会一直处理。
当我们再次发送2号信号，它就会屏蔽了。
那么这个sigaction里面的maks到底是什么呢？
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。
运行结果：
现在我们想要结束进程，我们可以使用kill -9，也可以使用killall 进程名。
4.2 多个信号的处理
方法一：
这样就可以调用同一个函数来执行不同的方法。然后我们把捕捉方法写好就行：
测试结果：
方法二：
这里可以使用一个vector来把所有方法push进去，但是我们需要自己把所有函数捕捉方法写好。所以我们更推荐 unordered_map。
5. 可重入函数
这里是一个单链表，在main函数里面调用插入函数，并且在信号捕捉里也调用了这个插入函数。
我们执行main函数里面的插入时，假设时间片到了，只完成了第一步，没有完成head=p，那么此时用户就会从用户态切换成内核态。那么在内核态就会检测信号，然后就会执行我们的handler方法。
那么handler方法没人打扰，就会执行完。
执行完后，再去我们自己的代码执行head=p。
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，则称为可重入函数。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的：
1.调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
2.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。
6. volatile
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：
在没有收到2号信号的时候一直在循环里判断，当收到2号信号的时候，就退出循环。
这是正常的理想状态下。
这里O2是告诉编译器进行优化。
还是同样的代码，但是现在循环并没有退出。
这里的优化是把flags的值放到了CPU的寄存器中，在逻辑计算的时候，就不会从内存中取数据，而是直接从CPU寄存器里取数据。那么为了防止这种情况，我们可以加个volatile。
又可以正常退出了。
volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作。
7. SIGCHLD信号
在子进程退出的时候，自动给父进程发送SIGCHLD信号。
证明如下：
我们对子进程暂停或者退出，看父进程能否捕捉信号。
现在我们暂停子进程：
我们再恢复子进程：
我们再删除子进程：
我们可以看到以上三种情况，父进程都可以收到SIGCHLD信号。
那么子进程给父进程发送信号有什么作用呢？
这是我们之前写的一个父进程等待子进程，但是都是父进程要自己主动等待。
现在我们可以让父进程去做自己的事情，不主动等待：
我们让父进程做自己的事情，并且捕捉信号。
我们可以看到：父进程和子进程一开始都在运行，然后子进程退出的时候，父进程一直做自己的事情，并且自动等待成功。
但是这个代码有一些bug：
如果我们一次性创建多个进程，当进程退出时给父进程发送信号，就可能造成多个进程同时退出。而Linux处理一次信号时，其它信号可能就被阻塞了，那么其它进程就不会被等待回收，一直就是僵尸进程。
我们循环不断waitpid去等待子进程，当所有子进程都没了，就退出循环。
但是这里还存在一些问题：
这里的意思是：前8个运行5秒，后2个子进程运行20秒。这种情况会造成后两个子进程在运行时，父进程会在waitpid被阻塞等待。
那么父进程就不能执行自己的代码了。我们需要改成WNOHANG
当参数为WNOHANG时，id等于0的时候，说明子进程还有没退出完的。
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或者signal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。此方法对于Linux可用，但不保证在其它UNIX系统上都可用。
设置过后，父进程就不需要任何处理了，OS就会把所有僵尸状态的子进程都给忽略掉。
子进程退出的时候，默认的信号处理就是忽略，那么调用signal/sigaction设置为SIG_IGN,，意义在哪里呢？
SIG_IGN手动设置，让子进程退出，不要给父进程发送信号了，并且自动释放。