进程间通信——信号

信号的概念

• 信号是 Linux进程间通信的最古老的方式之一，是事件发生时对进程的通知机制，有时也称之为软件中断，它是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信的方式。信号可以导致一个正在运行的进程被另一个正在运行的异步进程中断，转而处理某一个突发事件。
• 发往进程的诸多信号，通常都是源于内核。引发内核为进程产生信号的各类事件如下：

----◼ 对于前台进程，用户可以通过输入特殊的终端字符来给它发送信号。比如输入Ctrl+C 通常会给进程发送一个中断信号。

----◼ 硬件发生异常，即硬件检测到一个错误条件并通知内核，随即再由内核发送相应信号给相关进程。比如执行一条异常的机器语言指令，诸如被 0 除，或者引用了无法访问的内存区域。

----◼ 系统状态变化，比如 alarm 定时器到期将引起 SIGALRM 信号，进程执行的 CPU 时间超限，或者该进程的某个子进程退出。

----◼ 运行 kill 命令或调用 kill 函数。

使用信号的两个主要目的是：

----◼ 让进程知道已经发生了一个特定的事情。

----◼ 强迫进程执行它自己代码中的信号处理程序。

信号的特点：

----◼ 简单

----◼ 不能携带大量信息

----◼ 满足某个特定条件才发送

----◼ 优先级比较高

查看系统定义的信号列表：kill –l

前 31 个信号为常规信号，其余为实时信号。

Linux 典型信号

编号	信号名称	对应事件	默认动作
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	终止进程
3	SIGQUIT	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	终止进程
9	SIGKILL	无条件终止进程。该信号不能被忽略，处理和阻塞	终止进程，可以杀死任何进程
11	SIGSEGV	指示进程进行了无效内存访问(段错误)	终止进程并产生core文件
13	SIGPIPE	Broken pipe 向一个没有读端的管道写数据	终止进程
17	SIGCHLD	子进程结束时，父进程会收到这个信号	忽略这个信号
18	SIGCONT	如果进程已停止，则使其继续运行	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	为终止进程

信号的 5 种默认处理动作

查看信号的详细信息：man 7 signal
信号的 5 种默认处理动作
----◼ Term 终止进程

----◼ Ign 当前进程忽略掉这个信号

----◼ Core 终止进程，并生成一个 Core 文件用来保存进程异常退出的错误信息

----◼ Stop 暂停当前进程

----◼ Cont 继续执行当前被暂停的进程

信号的几种状态：产生、未决、递达

SIGKILL 和 SIGSTOP 信号不能被捕捉、阻塞或者忽略，只能执行默认动作。

信号相关的函数

kill 函数

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

作用：给任何的进程或者进程组发送任何的信号（sig）

参数：
---- pid：
-------- > 0：将信号发送给指定的进程
-------- = 0：将信号发送给当前的进程组
-------- = -1：将信号发送给每一个有权限接受这个信号的进程
-------- < -1：这个 pid 就是某个进程组的 ID 的相反数，给这个进程组发送信号
------- sig：需要发送的信号的编号或者是宏值，0 表示不发送任何信号

例子：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        //子进程
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            printf("child \n");
            sleep(1);
        }
    }
    else if (pid > 0) {
        //父进程
        printf("parent\n");
        sleep(2);
        printf("kill child\n");
        kill(pid, 9);
    }
    return 0;
}

raise 函数

#include 
int raise(int sig);

作用：给当前进程发送信号
参数：要发送的信号
返回：成功返回 0，失败返回非 0
等价于：kill(getpid(), sig);

abort 函数

#include 
void abort(void);

作用：发送 SIGABORT 信号给当前进程，杀死当前进程
等价于：kill(getpid(), SIGABORT);

alarm 函数

#include 
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

作用：设置定时器（闹钟），函数调用开始倒计时，当倒计时为 0 的时候，函数会给当前的进程发送一个信号：SIGALRM 默认终止当前的进程，每一个进程都有且只有唯一的一个定时器。

参数：倒计时的时长，单位是秒，参数为 0 表示定时器无效（不进行倒计时，不发信号）。可以通过传递 0 参数来取消一个定时器。

返回：

---- 之前没有定时器：返回 0

---- 之前有定时器：返回之前的定时器倒计时剩余时间

alarm 与进程的状态（运行、阻塞等）无关。

首先设置一个 5 秒的定时器，之后修改为 10 秒，过了 10 秒时候发送 SIGALRM 信号默认关闭进程：

#include 
#include 

int main()
{
    int seconds = alarm(5);
    printf("seconds = %d\n", seconds);
    sleep(2);
    seconds = alarm(10);
    printf("seconds = %d\n", seconds);
    while (1) {}
    return 0;
}

setitimer 函数

#include 
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_val, struct itimerval *old_value);

作用：设置定时器，可以替代 alarm 函数。精度是微秒（us）。

参数：

---- which：定时器以什么时间定时

-------- ITIMER_REAL：真实时间，时间到达后发送 SIGALRM ，是最常用的

-------- ITIMER_VIRTUAL：用户时间，时间到达后发送 SIGVTALRM

-------- ITIMER_PROF：以该进程在用户态和内核态下所消耗的时间来计算，时间到达后发送 SIGPROF

---- new_val：设置定时器的属性

struct itimerval {  //定时器结构体
    struct timeval it_interval;  //每个阶段的时间，间隔时间
    struct timeval it_value;  //延迟多长时间执行定时器
};
struct timeval {  //时间的结构体
    time_t      tv_sec;  //秒数
    suseconds_t tv_usec;  //微秒
};

---- old_value：记录上一次的定时的时间参数，一般不使用，指定 NULL

返回：成功返回 0，失败返回 -1

信号捕捉函数 signal 函数

#include 
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); 

作用：设置某个信号的捕捉行为

参数：

---- signum：要捕捉的信号

---- handler：捕捉到信号要如何处理

-------- SIG_IGN：忽略信号

-------- SIG_DFL：使用信号默认的行为

-------- 回调函数：函数指针类型，由内核调用，程序员只负责提前写好捕捉到信号后如何处理信号

返回：

---- 成功：返回上一次注册的信号处理函数的地址。第一次调用返回 NULL

---- 失败：返回 SIG_ERR，设置错误号

过3秒之后定时开始，每隔2秒钟定时一次的示例：

#include 
#include 
#include 
#include 

void myalarm(int num)
{
    printf("捕捉到了的信号的编号是：%d\n", num);
    printf("xxxxxx\n");
}

int main()
{
    //注册信号捕捉
    __sighandler_t ret0 = signal(SIGALRM, myalarm);
    if (ret0 == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        exit(0);
    }
    struct itimerval new_value;
    //设置间隔时间
    new_value.it_interval.tv_sec = 2;
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;
    //设置延迟时间
    new_value.it_value.tv_sec = 3;
    new_value.it_value.tv_usec = 0;

    int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL);
    printf("定时器开始了\n");
    if (ret == -1) {
        perror("setitimer");
        exit(0);
    }
    getchar();
    return 0;
}

程序三秒之后输出“定时器开始了”，然后每隔两秒输出后面的内容

信号集

• 许多信号相关的系统调用都需要能表示一组不同的信号，多个信号可使用一个称之为信号集的数据结构来表示，其系统数据类型为 sigset_t。
• 在 PCB 中有两个非常重要的信号集。一个称之为 “阻塞信号集” ，另一个称之为“未决信号集” 。这两个信号集都是内核使用位图机制来实现的。但操作系统不允许我们直接对这两个信号集进行位操作。而需自定义另外一个集合，借助信号集操作函数来对PCB 中的这两个信号集进行修改。
• 信号的 “未决” 是一种状态，指的是从信号的产生到信号被处理前的这一段时间。 信号的 “阻塞”是一个开关动作，指的是阻止信号被处理，但不是阻止信号产生。信号的阻塞就是让系统暂时保留信号留待以后发送。由于另外有办法让系统忽略信号，所以一般情况下信号的阻塞只是暂时的，只是为了防止信号打断敏感的操作。

阻塞信号集和未决信号集：

1. 用户通过键盘 Ctrl + C, 产生 2 号信号 SIGINT (信号被创建)

2. 信号产生但是没有被处理 （未决）

    ---- 在内核中将所有的没有被处理的信号存储在一个集合中 （未决信号集）
    
    ---- SIGINT 信号（2 号信号）状态被存储在第二个标志位上
    
    ---- 如果这个标志位的值为 0， 说明信号不是未决状态
    
    ---- 如果这个标志位的值为 1， 说明信号处于未决状态
   

3. 这个未决状态的信号，需要被处理，处理之前需要和另一个信号集（阻塞信号集），进行比较

    ---- 阻塞信号集默认不阻塞任何的信号
    ---- 如果想要阻塞某些信号需要用户调用系统的 API
   

4. 在处理的时候和阻塞信号集中的标志位进行查询，看是不是对该信号设置阻塞了

    ---- 如果没有阻塞，这个信号就被处理
    
    ---- 如果阻塞了，这个信号就继续处于未决状态，直到阻塞解除，这个信号就被处理
   

以下信号集相关的函数都是对自定义的信号集进行操作：

int sigemptyset(sigset_t *set);

• 作用：清空信号集中的数据，将信号集中的所有的标志位置为 0
• 参数：set，值-结果参数，需要操作的信号集
• 返回：成功返回 0， 失败返回 -1

int sigfillset(sigset_t *set);

• 作用：将信号集中的所有的标志位置为 1
• 参数：set，值-结果参数，需要操作的信号集
• 返回值：成功返回0， 失败返回 -1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

• 作用：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为 1，表示阻塞这个信号 参数：
• ---- set：值-结果参数，需要操作的信号集
• ---- signum：需要设置阻塞的那个信号
• 返回：成功返回 0， 失败返回 -1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

• 作用：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为 0，表示不阻塞这个信号 参数：
• ---- set：值-结果参数，需要操作的信号集
• ---- signum：需要设置不阻塞的那个信号
• 返回：成功返回 0， 失败返回 -1

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

• 作用：判断某个信号是否阻塞

参数：

• ---- set：需要操作的信号集
• ---- signum：需要判断的那个信号

返回：

• ---- 1 ： signum被阻塞
• ---- 0 ： signum不阻塞
• ---- -1 ： 失败
  示例：

#include 
#include 

int main()
{
    //创建一个信号集
    sigset_t set;
    //清空信号集的内容
    sigemptyset(&set);
    //判断 SIGINT 是否在信号集 set 里
    int ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if (ret == 0) {
        printf("SIGINT不阻塞\n");
    }
    else if (ret == 1) {
        printf("SIGINT阻塞\n");
    }
    //添加信号到信号集中
    sigaddset(&set, SIGINT);

    ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if (ret == 0) {
        printf("SIGINT不阻塞\n");
    }
    else if (ret == 1) {
        printf("SIGINT阻塞\n");
    }
    //从信号集中删除一个信号
    sigdelset(&set, SIGINT);

    ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if (ret == 0) {
        printf("SIGINT不阻塞\n");
    }
    else if (ret == 1) {
        printf("SIGINT阻塞\n");
    }

    return 0;
}

sigprocmask 函数

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

• 作用：将自定义信号集中的数据设置到内核中（设置阻塞，解除阻塞，替换）

• 参数：

  ---- how ：如何对内核阻塞信号集进行处理

  -------- SIG_BLOCK:：将用户设置的阻塞信号集添加到内核中，内核中原来的数据不变，mask | set

  -------- SIG_UNBLOCK:：根据用户设置的数据，对内核中的数据进行解除阻塞 mask &= ~set

  -------- SIG_SETMASK：覆盖内核中原来的值

  ---- set ：已经初始化好的用户自定义的信号集

  ---- oldset : 保存设置之前的内核中的阻塞信号集的状态，可以是 NULL

• 返回：成功返回 0，失败返回 -1 并设置错误号 EFAULT、EINVAL

SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被捕捉，不能被忽略。

内核实现信号捕捉的过程