【Linux初阶】信号入门2 | 信号阻塞、捕捉、保存

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☀️前言

通过我们上一篇文章的学习，我们知道信号的生命周期包括四个阶段：预备、信号产生、信号保存、信号处理。同时我们还接触到了信号的保存位置：信号被保存在进程的 task_struct中。知道了信号发送的本质就是修改进程 task_struct中的位图结构。

在本片文章中，我将带领大家更加深入学习信号阻塞、捕捉、保存的知识。

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☀️一、信号阻塞

1.信号其他相关常见概念

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)。
• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决(Pending)。
• 进程可以选择阻塞 (Block ) 某个信号。
• 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。
• 注意，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。

对于信号的发送我们还要树立两点共识：1.信号发送是以操作系统为载体，向目标进程发送信号的。2.因为我们的信号不会被立即处理，因此信号产生和信号递达之间就会产生一个简单的时间窗口，在这个时间窗口中，信号已经收到了但是没有被立即处理，因此我们需要将信号保存起来。

2.信号在内核中的表示

图示1：

• task_struct中有两张位图和一个指针，它们分别是 pending位图、block位图、指向 hander函数指针数组的指针。
• pending位图默认为0，它可以表示为32个比特位，比特位的位置表示信号编号，比特位的内容（0 or 1）表示的是是否收到该信号。
• block位图默认也为0，它也可表示32个比特位，比特位的位置表示信号编号，比特位的内容表示 是否阻塞该信号。
• 指针指向 hander函数指针数组，我们可以把它简称为 hander表，数组的下标表示信号的编号，数组下标对应的函数内容表示 对应信号的处理方法。
• 图中右上角为信号的递达的伪代码，它告诉我们：如果一个信号阻塞了，信号就不会递达。
• 图的最上方有一个 signal函数，我们可以通过信号内核表示加以理解：signo代表信号编号，handler表示修改函数数组对应信号的处理方法。

总结：1.如果一个信号没有产生，并不妨碍它被阻塞。2.进程为什么能识别信号？因为每个信号都有自己对应的 pending位图、block位图 和 hander表。

图示2：

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☀️二、信号捕捉（重点）

通过上面的学习，我们知道：信号产生的时候，不会被立即处理，而是会在合适的时候被处理。

那么问题来了，究竟合适的时候是什么时候呢？答案是：从内核态返回用户态的时候，进行处理。

1.用户态 & 内核态

• 进程在运行时，有两种状态（运行级别），它们分别是：用户态 和 内核态。
• 用户态：运行我们在电脑上自己写的代码（包括数据结构等），都是在用户态下完成的。
• 内核态：运行系统调用，就是在内核态完成的。
• 用户为了访问某些资源（OS or 硬件），必须通过系统调用完成，因此在访问过程中需要 状态改变。
• 系统调用比较费时间，因此我们应尽量避免频繁调用系统调用。举一个简单的例子：当我们使用 vector进行扩容的时候，计算机往往会为我们多申请一些空间，这就是为了避免频繁调用系统调用。

2.如何判断进程处于用户态或内核态

• CPU中有很多可见和不可见的寄存器，它们保存有当前运行进程的上下文数据。
• CPU有专门的寄存器可以指向进程的 task_struct（PCB），和页表（用户级页表 & 内核级页表）的起始地址。
• CPU内有一个名为 CR3的寄存器，它表征当前进程的运行级别：0-内核态，3-用户态。

3.OS接口的访问方法

• 进程的 task_strcut有指向该进程的地址空间（mm_strcut）的指针，地址空间分为内核空间（1G）和用户空间（3G），因此页表也有两个：用户级页表 和 内核级页表。
• 内核级页表指向 内核对应的虚拟地址空间。
• 每个进程都有自己的地址空间，由于不同进程共用同一个内核，每个进程的地址空间中的内核空间都是同一个，因此内核级页表只要有一份就够了，它指向同一份虚拟地址空间和物理内存。
• 进程要访问OS的接口，因为每个进程的地址空间中都带有同一个内核空间，因此只需要在地址空间中自行跳转到内核空间访问即可。

总结：1.用户访问OS的过程：运行到特定代码 -> 系统调用（起始位置会更改CR3寄存器）-> 查看CR3寄存器（确认运行状态） -> 跳转到内核空间进行访问 -> 访问完成 -> 更改CR3寄存器 -> 返回并继续执行下一行代码。

4.信号的捕捉过程

• 在有需要的时候陷入内核（用户态 -> 内核态）。
• 由于陷入内核会会产生一定的成本（系统调用比较费时间），因此内核处理完对应的工作或异常的时候，不会立即返回运行下一条代码，而是会以内核的身份处理一些只有内核才能完成的额外的工作。
• 内核处理完对应的工作后会进行信号检测和递达处理。
• 信号处理分为3种：默认、忽略、自定义。大部分信号的处理方式为终止对应进程，忽略即不需要处理，自定义就是如同 signal函数一样执行我们定义的方法。
• OS会检测是否收到某一信号、该信号是否阻塞、处理方法是哪个。
• 如果确认收到某一信号，该信号没有阻塞，且为自定义处理方法，则：回到用户态，执行对应的自定义处理方法。（内核态 -> 用户态）
• 注意：我们不能用用户态执行内核的代码（权限不足），也不能用内核态执行用户态的代码（避免用户对内核的恶意访问）。
• 执行完自定义处理方法之后，不能直接跳转回代码部分运行下一条代码。这是因为在我们使用系统调用时，我们的部分数据（代码运行位置）是由OS保存的，因此我们需要使用OS的身份进行恢复，再跳转回去运行下一条代码。
• 执行完自定义处理方法之后，需要重新回到内核态，恢复数据（用户态 -> 内核态）。
• 再使用特定的系统调用，回到代码运行的地方（内核态 -> 用户态）。
• 至此，完成了信号捕捉的全过程，然后继续运行下一条代码。

信号捕捉巧记图：红色圆圈代表操作，绿色圆圈代表状态切换（4个操作 + 4次状态切换），如果信号的执行方法为默认或者忽略，则不会再沿图示路径进行下去。

通过学习信号的捕捉过程，我们就可以更加深入理解到本节开头时候的话：信号产生的时候，不会被立即处理，而是会在合适的时候被处理，即从内核态返回用户态的时候。

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☀️三、信号保存1

综合我们学习的知识，我们可以得出：信号产生之后不会立即递达，而是会在合适的时候递达，因此我们的信号在这个时间周期内需要被保存。信号被保存在进程的 task_struct中，信号发送（保存）的本质就是修改进程 task_struct中的位图结构。

这里我们再复习一下信号递达和信号未决的知识点，方便后面的学习：

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)。
• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决(Pending)。

1.sigset_t

• 从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志（判断是否收到该信号），非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志（判断信号是否阻塞）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。
• 下一节将详细介绍信号集的各种操作。 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。

2. 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。

#include 

int sigemptyset(sigset_t *set);

int sigfillset(sigset_t *set);

int sigaddset (sigset_t *set，int signo);

int sigdelset(sigset_t *set， int signo);

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

• 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。
• 函数 sigfifillset初始化 set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置为1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
• 注意，在使用sigset_ t类型的变量之前，一定要调 用 sigemptyset或 sigfifillset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。
• 这四个函数都是成功返回0，出错返回-1。
• sigismember是一个布尔函数，用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种 信号，若包含则返回1，不包含则返回0，出错返回-1。

3.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)。

#include 
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset); 
返回值:若成功则为0,若出错则为-1

• 如果 oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。
• 如果 set是非空指针，则更改进程的信号屏蔽字。
• 参数 how指示如何更改。
• 如果oset和set都是非空指针，则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。
• 假设当前的信号屏蔽字为mask，下表说明了how参数的可选值。

• 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。

4.sigpending

#include 
int sigpending(sigset_t *set);
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。

总结：sigprocmask - 修改block位图（阻塞信号集/信号屏蔽字），sigpending - 获取pending位图（未决信号集），signal - 修改信号处理方法。

5.代码示例

• 下面代码讲述的是如何调整信号屏蔽字

#include 
#include 
#include 
#include 

// #define BLOCK_SIGNAL 2
#define MAX_SIGNUM 31

using namespace std;

// static vector sigarr = {2,3};
static vector<int> sigarr = { 2 };

static void show_pending(const sigset_t& pending)
{
    for (int signo = MAX_SIGNUM; signo >= 1; signo--)
    {
        if (sigismember(&pending, signo))
        {
            cout << "1";
        }
        else cout << "0";
    }
    cout << "\n";
}

static void myhandler(int signo)
{
    cout << signo << " 号信号已经被递达!!" << endl;
}

int main()
{
    for (const auto& sig : sigarr) signal(sig, myhandler);

    // 1. 先尝试屏蔽指定的信号
    sigset_t block, oblock, pending;
    // 1.1 初始化
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);
    sigemptyset(&pending);
    // 1.2 添加要屏蔽的信号
    for (const auto& sig : sigarr) sigaddset(&block, sig);
    // 1.3 开始屏蔽,设置进内核(进程)
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);

    // 2. 遍历打印pengding信号集
    int cnt = 10;
    while (true)
    {
        // 2.1 初始化
        sigemptyset(&pending);
        // 2.2 获取它
        sigpending(&pending);
        // 2.3 打印它
        show_pending(pending);
        // 3. 慢一点
        sleep(1);
        if (cnt-- == 0)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oblock, &block); // 一旦对特定信号进行解除屏蔽，一般OS要至少立马递达一个信号！
            cout << "恢复对信号的屏蔽，不屏蔽任何信号\n";
        }

• 运行结果如下

总结：我们可以通过信号集操作函数初始化信号集，并将需要屏蔽的信号加入屏蔽信号集中，然后用 sigprocmask函数将信号集内容射入内核，然后通过 sigpending函数查看 pending信号集。上面的示例显示，当我们屏蔽2号信号之后，我们输入 ctrl+C 后会将信号存储于 pending信号集中，而不会递达，即不会执行 signal函数中的 myhandler方法。

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☀️四、信号保存2

1.sigaction

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

知识点1：

• 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。

知识点2：

• 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。
• sa_flflags/sa_flags字段包含一些选项，本章的代码都把sa_flflags设为0，sa_sigaction是实时信号的处理函数，本章不详细解释这两个字段，有兴趣的同学可以在了解一下。

2.代码示例 - sigaction

• 下述代码用于验证：某个信号在递达时，该信号会被屏蔽。

 #include 
 #include 
 #include 
 #include 

 using namespace std;

 void Count(int cnt)
 {
     while(cnt)
     {
         printf("cnt: %2d\r", cnt);
         fflush(stdout);
         cnt--;
         sleep(1);
     }
     printf("\n");
 }

 void handler(int signo)
 {
     cout << "get a signo: " << signo << "正在处理中..." << endl;
     Count(20); //调用计时程序
 }

 int main()
 {
     struct sigaction act, oact; 
     act.sa_handler = handler;
     act.sa_flags = 0;
     sigemptyset(&act.sa_mask); // 当我们正在处理某一种信号的时候，我们也想顺便屏蔽其他信号，就可以添加到这个sa_mask中
     sigaddset(&act.sa_mask, 3); //对3号信号也添加屏蔽
     sigaction(SIGINT, &act, &oact); //SIGINT为2号信号

     while(true) sleep(1);

     return 0;
 }

• 运行结果如下

总结：代码运行时，在第一个信号递达过程中（计数器开始计时），我们再向该进程发送2号信号则无法递达，第二次发送的2号信号将被保存在 pending位图中，等待第一次发送的信号递达完成之后才会执行对应方法，第3、4…次的信号发送均会失效/丢失。

3.可重入函数

• 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（如上图insert代码所示），刚做完第一步的 时候，因为硬件中断（该进程的时间片到了）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。
• main 执行流 和 handler执行流（信号捕捉执行流）是两个不同的执行流，它们之间相互独立。
• 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。

4.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

[ldx@localhost code_test]$ cat sig.c
#include 
#include 

int flag = 0;

void handler(int sig)
{
	printf("chage flag 0 to 1\n");
	flag = 1;
}

int main()
{
	signal(2, handler);
	while (!flag);
	printf("process quit normal\n");
	return 0;
}

[ldx@localhost code_test]$ cat Makefile
sig : sig.c
gcc -o sig sig.c #-O2      #使用#号屏蔽优化，02为优化级别
.PHONY : clean
clean :
rm - f sig

[ldx@localhost code_test]$ ./sig
^ Cchage flag 0 to 1
process quit normal

标准情况下，键入 Ctrl-C ，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ， while 条件不满足,退出循环，进程退出。

[ldx@localhost code_test]$ cat sig.c
#include 
#include 

int flag = 0;

void handler(int sig)
{
	printf("chage flag 0 to 1\n");
	flag = 1;
}

int main()
{
	signal(2, handler);
	while (!flag);
	printf("process quit normal\n");
	return 0;
}

[ldx@localhost code_test]$ cat Makefile
sig : sig.c
gcc -o sig sig.c -O2       #放开屏蔽，设置优化级别02
.PHONY : clean
clean :
rm - f sig

[ldx@localhost code_test]$ ./sig
^ Cchage flag 0 to 1
^ Cchage flag 0 to 1
^ Cchage flag 0 to 1

我们的代码在编译过程中，编译器会对其进行优化，优化有不同级别，优化情况下，键入 Ctrl-C ，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ，但是 while 条件依旧满足，进程继续运行！但是很明显flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显while 循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。 while检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要 volatile。

• 优化过程中，编译器认为while循环中的flag不会被修改，因此它默认提前将flag的值加载到cup中去了，然后让出资源执行其他代码去了，即对于 flag只做了检测，没有做修改。
• handler中修改的值是内存中的flag值，和已经 load到cpu中的 flag数据并不相同，只要cpu（寄存器）中的flag不变，那么循环就会一直进行下去。

[ldx@localhost code_test]$ cat sig.c

#include 
#include 

volatile int flag = 0; //在全局变量前加volatile关键字

void handler(int sig)
{
	printf("chage flag 0 to 1\n");
	flag = 1;
}

int main()
{
	signal(2, handler);
	while (!flag);
	printf("process quit normal\n");
	return 0;
}

[ldx@localhost code_test]$ cat Makefile
sig : sig.c
gcc - o sig sig.c - O2
.PHONY : clean
clean :
rm - f sig

[ldx@localhost code_test]$ . / sig
^ Cchage flag 0 to 1
process quit normal

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

我们需要根据实际应用场景（优化级别比较高且存在需要更新的判断变量），判断我们是否需要添加volatile 关键字。

☀️五、信号总结

• 下面是我在前面的信号文章中给出的信号生命周期图

• 下面是信号的知识点汇总，方便大家对应回顾

• 信号的预备，信号的基本概念。

• 信号的产生，信号的产生方法，发送本质。

• 信号捕捉（用户态内核态 & OS接口的访问方法 & 捕捉过程）

• 信号的保存，保存位置，保存方法，未决与递达的概念，信号阻塞，信号集及其操作，修改信号屏蔽字的方法，查看pending位图的方法，多次发送同一信号的现象。

• 信号处理，信号递达。

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☀️结语

信号阻塞 & 信号捕捉 & 信号的保存 的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多C++ 和 Linux的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！