Linux基础篇——信号（2）

捕捉信号
概念：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。
处理过程举例如下：
1. ⽤用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。
2. 当前正在执行main函数,这时发⽣生中断或异常切换到内核态。
3. 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。
4. 内核决定返回⽤用户态后不是恢复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。
5. sighandler函数返回后自动执⾏行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。
6. 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。

sigaction
函数原型如下：

#include 
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct
sigaction *oact);

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指针⾮非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针⾮非 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:
在平时的使用中，推荐使用此函数，因为比signal函数功能更多。

sigaction结构体内容如下：
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); // 信号自定义函数的地址或 SIG_IGN或SIG_EDL
void (sa_sigaction)(int, siginfo_t , void *);
sigset_t sa_mask; //追加的被阻塞的信号
int sa_flags; //选择信号
void (*sa_restorer)(void);
};
将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表⽰示忽略信号,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。

pause函数（不产生信号）

#include 
int pause(void);

pause函数使调⽤用进程挂起直到有信号递达。如果信号的处理动作是终⽌止进程,则进程终止,pause函数没有机会返回;如果信号的处理动作是忽略,则进程继续处于挂起状态,pause不返回;如果信号的处理动作是捕捉,则调⽤用了信号处理函数之后pause返回-1,errno设置为EINTR, 所以pause只有出错的返回值(想想以前还学过什么函数只有出错返回值? Exec函数家族)。错误码EINTR表 ⽰示“被信号中断”。
下面我们通过我们写的一个mysleep函数来演示下sigaction和pause函数
代码如下：

  1 #include
  2 #include
  3 #include
  4 
  5 void handler(int sig)
  6 {
  7 }
  8 unsigned int my_sleep(unsigned int _timeout)
  9 {
 10 
 11     struct sigaction act,oact;
 12     act.sa_handler=handler;
 13     sigemptyset(&act.sa_mask);
 14     act.sa_flags=0;
 15 
 16     sigaction(SIGALRM,&act,&oact);
 17     alarm(_timeout);
 18     pause();
 19     unsigned int remain =alarm(0);
 20     sigaction(SIGALRM,&oact,NULL);
 21     return remain;
 22 
 23 }
 24 int main()
 25 {
 26     while(1)
 27         {
 28             my_sleep(5);
 29             printf("i use my sleep\n");
 30         }
 31     return 0;
 32 }

运行结果如下：

程序运行流程如下：
1. main函数调用mysleep函数,后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数sig_alrm。
2. 调用alarm(nsecs)设定闹钟。
3. 调用pause等待,内核切换到别的进程运行。
4. nsecs秒之后,闹钟超时,内核发SIGALRM给这个进程。
5. 从内核态返回这个进程的用户态之前处理未决信号,发现有SIGALRM信号,其处理函数 是sig_alrm。
6. 切换到用户态执行sig_alrm函数,进入sig_alrm函数时SIGALRM信号被自动屏蔽, 从sig_alrm函数返回时SIGALRM信号自动解除屏蔽。然后自动执行系统调用sigreturn再次进入内核,再返回用户态继续执行进程的主控制流程(main函数调用的mysleep函数)。
7. pause函数返回-1,然后调⽤用alarm(0)取消闹钟,调用sigaction恢复SIGALRM信号以前的处理动作。
运行情况基本是5s输出一行。但此时的程序还有问题。因为闹钟在运行时可能被操作系统切换出去，在闹钟时间到的时候发出信号，此时操作系统处理闹钟信号，在返回该进程时，闹钟信号已经递达，pause将不会接收到信号，此时程序被阻塞。
静态条件与sigsuspend函数
上面的mysleep程序在竞态条件下可能执行的流程如下：
1. 注册SIGALRM信号的处理函数。
2. 调用alarm(nsecs)设定闹钟。
3. 内核调度优先级更高的进程取代当前进程执行,并且优先级更高的进程有很多个,每个都要 执行很长时间
4. nsecs秒钟之后闹钟超时了,内核发送SIGALRM信号给这个进程,处于未决状态。
5. 优先级更高的进程执行完了,内核要调度回这个进程执⾏行。SIGALRM信号递达,执行处理函数sig_alrm之后再次进入内核。
6. 返回这个进程的主控制流程,alarm(nsecs)返回,调⽤用pause()挂起等待。
7. 可是SIGALRM信号已经处理完了,还等待什么呢?
8. 出现这个问题的根本原因是系统运⾏行的时序(Timing)并不像我们写程序时所设想的那样。
虽然alarm(nsecs)紧接着的下一行就是pause(),但是无法保证pause()一定会在调⽤用alarm(nsecs)之 后的nsecs秒之内被调用。由于异步事件在任何时候都有可能发生(这里的异步事件指出现更高优先级的进程),如果我们写程序时考虑不周密,就可能由于时序问题而导致错误,这叫做竞态条件 (Race Condition)。

为了解决这个问题，sigsuspend函数应运而生，sigsudpend的功能是接触信号的屏蔽并有pause的功能。
函数原型如下：

#include
int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

和pause函数一样，sigsuspend函数没有成功返回值，只有在执行了一个信号处理函数后sigsuspend才返回，返回值为-1，errno设置为EINTR。如果信号是屏蔽的，在调用成功后，信号仍然是屏蔽的。
所以上面的程序可以改为下面这样

 1 #include
  2 #include
  3 #include
  4 
  5 void handler(int sig)
  6 {
  7 }
  8 unsigned int my_sleep(unsigned int _timeout)
  9 {
 10 
 11     struct sigaction act,oact;
        sigset_t newmask,oldmask,suspmask;
 12     act.sa_handler=handler;
 13     sigemptyset(&act.sa_mask);
 14     act.sa_flags=0;
 15 
        sigemptyset(&newmask);
        sigaddset(&newmask,SIGALRM）;
 16     sigaction(SIGALRM,&act,&oact);//更改信号的默认动作
        sigprocmask(SIG_BLOCK,&act,&oact); //屏蔽信号字
 17     alarm(_timeout);  //闹钟
 18     sigsuspend(&newmask); //等待
        sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL); //接触信号的屏蔽
 19     unsigned int remain =alarm(0);
 20     sigaction(SIGALRM,&oact,NULL);
 21     return remain;
 22 
 23 }
 24 int main()
 25 {
 26     while(1)
 27         {
 28             my_sleep(5);
 29             printf("i use my sleep\n");
 30         }
 31     return 0;
 32 }

mysleep程序中关于sigsuspend函数执行流程如下：

如果在调用mysleep函数时SIGALRM信号没有屏蔽:
1. 调用sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);时屏蔽SIGALRM。
2. 调用sigsuspend(&suspmask);时解除对SIGALRM的屏蔽,然后挂起等待。
3. SIGALRM递达后suspend返回,⾃自动恢复原来的屏蔽字,也就是再次屏蔽SIGALRM。
4. 调用sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);时再次解除对SIGALRM的屏蔽。

SIGCHLD信号

子进程在结束时会发出SIGCHLD信号，但此信号的默认处理动作是忽略此信号，因为我们可以通过sigaction函数来重定义SIGCHLD信号的动作，从而实现子进程的自主释放。

可重入函数

可重入函数是指程序同时被几个不同控制流程调用，程序的功能不会产生影响， 这种函数的一般特点是函数体内只访问局部变量或参数，可重入函数定义比较模糊，我们可以通过以下条件来判断函数是否是不可重入函数
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。
3、SUS规定有些系统函数必须以线程安全的⽅方式实现