Linux系统编程：进程信号的保存和阻塞

目录

一. 信号保存和阻塞的相关概念

二. 进程信号的表示

2.1 进程信号在内核中的表示

2.2 sigset_t 类型

三. 信号集操作相关函数

3.1 sigset_t 类型参数设置相关函数

3.2 sigprocmask 函数

3.3 sigpending 函数

四. 演示代码

4.1 将所有信号的处理方式都注册为不退出进程

4.2 显示未决信号集

4.3 所有信号设置为阻塞

五. 总结

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一. 信号保存和阻塞的相关概念

• 信号递达：进程实际执行信号处理的动作叫做信号的递达（Delivery）
• 信号未决：信号从实际产生到递达之间的状态，称为信号未决（Pending）
• 进程可以阻塞某个信号（block），即：即使产生了某个信号也不执行相应的处理动作。
• 被阻塞信号在产生后，只要不接触阻塞状态，就一直不会递达。
• 信号阻塞和忽略不是一个概念，信号阻塞是不对进行处理，信号处于未决状态，而忽略信号是指进程接收到了信号，信号也会递达，只是没有实质性的处理动作。

二. 进程信号的表示

2.1 进程信号在内核中的表示

每一个进程的PCB中，都会存储三张用于表示信号状态的表（如图2.1所示），他们分别为block、pending和handler，其中：

• block：阻塞状态表，其底层实现是位图，如果设置某个进程信号阻塞，block中对应的二进制位就由0变1，block标志位如果为1，信号就不能够递达。
• pending：未决信号，底层实现也是位图，如果OS检测到了信号，但还没有对信号进行处理，那么在其pending位图中的对应bit位就会被设置为1，如果信号递达，pending位图就会由1变0，如果其block中的二进制位也为1，那么信号就不会递达，pending中的二进制位永远都会为1，直到阻塞状态解除信号递达。
• handler：是一个函数指针数组，指向其对应的信号处理方法的函数指针，图中SIG_DEF和SIG_IGN分别对应默认处理方式和忽略信号。
• SIG_DFL和SIG_IGN在源码中的定义为：#define SIG_DEF ((__sighandler_t ) 0) 和 #define SIG_IGN ((__sighandler_t ) 0)，进程收到信号，在递达是判断用哪个函数对信号进行处理的流程大概为：先通过 if 和 else if 判断是否选取默认处理方法或者忽略，如果都不是，则走到else执行用于自定义的处理方法。

图2.1 进程信号在内核中的表示

2.2 sigset_t 类型

OS不允许用于直接对block和pending位图中的二进制位进行修改，因此提供了一个OS类型sigset专门用于设置用于进程信号表示的相关位图，sigset_t 可以被称为信号集，sigset_t 的底层是位图结果，用 0/1 来表示状态。

阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字（Signal Mask）。

三. 信号集操作相关函数

3.1 sigset_t 类型参数设置相关函数

• int sigemptyset(sigset_t *set) -- 让set中不包含任何信号，即全部二进制位都是0。
• int sigfillset(sigset_t *set) -- 让set包含全部信号，即让全部二进制位都是1。
• int sigaddset(sigset_t *set, int signo) -- 将set指定信号的状态设置为有效1。
• int sigdelset(sigset_t *set, int signo) -- 删除set指定信号的状态无效0。
• int sigismember(sigset_t *set, int signo) -- 判断set中某个信号的状态是否为有效1，如果有效，函数返回1，无效返回0。

上面的这些函数，都是成功执行返回0，失败返回-1。 

3.2 sigprocmask 函数

sigprocmask函数 -- 读取或更改信号的阻塞状态

函数原型：int sigprocmask( int how,  sigset_t *set, sigset_t *obset )

函数参数：

        how -- 方法选择，添加阻塞、删除阻塞或设置阻塞

        set -- 如果选择设置阻塞，则用set中的信息设置

        obset -- 输出型参数，读取原来的阻塞信息

返回值：成功返回0，失败返回-1

在sigprocmask函数中，参数 how 用于方法的选择，how有三个可选项，分别为：SIG_BLOCK、SIG_UNBLOCK 和 SIG_SETMASK。

表3.1 sigprocmask函数参数how的选择及对应功能

how	功能
SIG_BLOCK	添加对特定信号的阻塞状态，相当于mask | set
SIG_UNBLOCK	取消对特定信号的阻塞状态，相当于mask & ~set
SIG_SETMASK	使用set设置信号阻塞状态，相当于mask = set

3.3 sigpending 函数

sigpending函数 -- 获取进程当前的未决信号集

函数原型：int sigpending(sigset_t *set)

函数参数：set为输出型参数，用于获取当前进程的未决信号集

返回值：运行成功返回0，失败返回-1

四. 演示代码

4.1 将所有信号的处理方式都注册为不退出进程

如果我们在程序中将所有信号的处理方法都设置为不退出，并在之后执行死循环，那么，是不是进程就无法被杀死了呢？

答案显然是否定的，OS的设计者早就考虑到了这一点，9号信号SIGKILL为管理员权限信号，用户不可以重新注册其处理方法，代码和运行结果如下。

代码4.1：所有信号重新注册方法为不退出

#include 
#include 
#include 

// 用户自定义的信号处理函数
void siganl_handler(int sig)
{
    std::cout << "recieve a signal, signum:" << sig << std::endl;
}

int main()
{
    std::cout << "this is a process, pid:" << getpid() << ", ppid:" << getppid() << std::endl;

    // 1. 将全部普通信号处理函数重新注册
    for(int sig = 1; sig <= 31; ++sig)
    {
        signal(sig, siganl_handler);
    }

    // 2. 执行死循环
    while(true) 
    { }

    return 0;
}

图4.1 代码4.1的运行结果

4.2 显示未决信号集

代码4.2通过sigprocmask函数，在第5s设置2号SIGINT信号为阻塞状态，，在第8s通过raise函数向进程发送2号SIGINT信号，在第15s取消SIGINT信号的阻塞状态，并实时输出未决状态信息，代码运行结果如图4.2，2号信号的阻塞状态由0至1，并在阻塞状态取消后，执行用户自定义的2号SIGINT信号处理函数，退出进程。

代码4.2：未决信号集的打印

#include 
#include 
#include 

// 用户自定义的信号处理函数
void siganl_handler(int sig)
{
    std::cout << "recieve a signal, signum:" << sig << std::endl;
    exit(0);
}

// 未决状态打印函数
void showPending(const sigset_t& pending)
{
    for(int sig = 1; sig <= 31; ++sig)
    {
        if(sigismember(&pending, sig)) std::cout << 1;
        else std::cout << 0;
    }    
    std::cout << std::endl;
}

int main()
{
    // 重新注册2号信号的处理方法
    signal(SIGINT, siganl_handler);

    // bset用于设置阻塞状态，obset用于接收原阻塞状态
    sigset_t bset, obset; 
    // pending用于获取阻塞集
    sigset_t pending;  

    //对信号集设置初始状态
    sigemptyset(&bset);
    sigaddset(&bset, SIGINT);

    int count = 0;
    while(true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << ++count << ": " << std::flush;
        
        sigpending(&pending);   // 接收阻塞状态
        showPending(pending);   // 阻塞状态打印

        if(count == 5)
        {
            std::cout << "设置SIGINT信号处于阻塞状态 ..." << std::endl; 
            sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, &obset);
        }

        if(count == 8)
        {
            std::cout << "发送SIGINT信号" << std::endl;
            raise(SIGINT);
        }

        if(count == 15)
        {
            std::cout << "取消对SIGINT信号的阻塞" << std::endl;
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &obset, nullptr);
        }
    }

    return 0;
}

图4.2 代码4.2的运行结果

4.3 所有信号设置为阻塞

设置所有信号阻塞，然后死循环，是不是发送任何信号都无法终止进程的运行？

答案当然也不是，9号SIGKILL信号和19号SIGSTOP信号都无法被阻塞，在19号信号使进程终止运行期间，18号SIGCONT信号也无法被阻塞。

代码4.3：验证9号SIGKILL信号无法被阻塞

#include 
#include 
#include 

// 未决状态打印函数
void showPending(const sigset_t& pending)
{
    for(int sig = 1; sig <= 31; ++sig)
    {
        if(sigismember(&pending, sig)) std::cout << 1;
        else std::cout << 0;
    }    
    std::cout << std::endl;
}

int main()
{
    // 设置所有信号阻塞
    sigset_t bset, obset;
    sigset_t pending;
    sigfillset(&bset);

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, &obset);

    // 依次向进程发送1 - 31号信号，如何输出未决状态
    for(int sig = 1; sig <= 31; ++sig)
    {   
        std::cout << "kill -" << sig << std::endl;
        raise(sig);

        // 获取阻塞信号集并打印
        sigpending(&pending);
        showPending(pending);

        sleep(1);
    }

    return 0;
}

图4.3 代码4.3的运行结果

五. 总结

• 进程处理信号的动作叫做信号递达、信号从产生到递达的状态叫做信号未决、被阻塞的信号无法递达。
• 进程PCB中有三张表：block、pending、handler，block和pending为阻塞和未决信号集，handler为指向信号处理函数的函数指针数组。
• Linux操作系统提供了内置信号集类型sigset_t，用于信号状态的设置，sigprocmask 函数用于读取或设置阻塞信号集，sigpending用于获取阻塞信号集。
• 9号SIGKILL信号具有管理员权限，用户无法自定义其处理动作，也无法被阻塞。