【Linux--信号】

一、信号的概念

1.1查看系统的信号

kill -l

1-31是普通信号，34-64是实时信号
每一个信号都有一个编号和一个宏定义名称。

1.2信号的处理方式

1. 忽略信号。忽略信号也是处理了信号
2. 执行信号的默认处理动作
3. 利用signal系统调用，提供一个信号处理函数，要求在内核处理该信号时切换到用户态执行这个函数，这种方式称为捕捉一个信号。就像上面的代码，将2号信号捕捉为一个

handler函数。
#include
using namespace std;
#include
#include
#include
#include

void myhandler(int signo)
{
    cout<<"process get a signal:"<<signo<<endl;
}
int main()
{

    signal(2,myhandler);
    while(true)
    {
        cout<<"i am a happy process:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);

    }

    return 0;
}

二、信号的产生方式

2.1通过终端按键

比如上面的ctrl + c 就给进程发送了2号信号SIGINT。而ctrl + \可以给进程发送3号信号SIGQUIT。
通过按键组合的方式来给进程发送信号。

2.2kill命令

kill 系统调用，作用：给当进程为pid的进程发送信号

2.3系统调用

• kill系统调用

参数：pid:进程pid
sig:几号信号
返回值：成功返回0，失败返回-1
作用：给进程pid发送sig信号
mykill.cc

#include
using namespace std;
#include
#include
#include
#include
int main(int argc,char* argv[])
{
    kill(atoi(argv[1]),atoi(argv[2]));
    return 0;
}

myproc.cc

#include
using namespace std;
#include
#include
#include
int main()
{
    while(true)
    {
        cout<<"i am p process pid:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

现象：

• raise系统调用
  
  作用：给当前进程发送信号
  myproc.cc

#include
using namespace std;
#include
#include
#include
int main()
{
    int cnt=5;
    while(true)
    {
        if(cnt==0)
        {
            raise(2);
        }
        cout<<"i am p process pid:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
        cnt--;
    }
    return 0;
}

• abort系统调用
  
  作用：给进程发送6号信号，终止进程
  注意：abort函数一定会成功终止进程。不管有没有重新捕捉信号。
  myproc.cc

#include
using namespace std;
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int cnt=5;
    while(true)
    {
        if(cnt==0)
        {
            //raise(2);
            abort();
        }
        cout<<"i am p process pid:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
        cnt--;
    }
    return 0;
}

2.4软条件产生信号

这里也有一个函数alarm，相当于设置一个闹钟，告诉内核多少秒后，发送一个SIGALRM信号给当前进程。

#include
using namespace std;
#include
#include
#include
#include

void myhandler(int signo)
{
    cout<<"process get a signal:"<<signo<<endl;
}
int main()
{
    alarm(5);

    while(true)
    {
        cout<<"i am a happy process:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);

    }

    return 0;
}

2.5硬件异常产生信号

硬件异常产生信号就是硬件发现进程的某种异常，而硬件是被操作系统管理。硬件会将异常通知给系统，系统就会向当前进程发送适当的信号。
例如：野指针的情况、除0问题

#include
using namespace std;
#include
#include
#include
#include

void myhandler(int signo)
{
    cout<<"process get a signal:"<<signo<<endl;
}
int main()
{

    signal(11,myhandler);
    int* ptr;
    cout<<*ptr<<endl;

    return 0;
}

原因：由于p是野指针，p指针变量里保存的是随机值，进程执行到野指针这一行。进程在页表中找映射的物理内存时，硬件mmu会发现该虚拟地址是一个 野指针，会产生异常，由于操作系统管理硬件，硬件会将异常发送给系统。系统会发送适当的信号给当前进程。
上面代码有野指针，系统会发送11号信号给进程。但是在循环里面并没有野指针，但是发现一直在打印，说明系统一直在往进程发送11号信号，这是因为硬件异常并没有消除。
只能向进程发送终止信号，终止进程才能结束。
总结
信号是由OS发出来的，上面的五种产生情况，是操作系统发出信号的触发条件。

• 上面所有信号的产生都会需要操作系统的参与，为什么？
  因为操作系统是进程的管理者，只有操作系统能管理进程。

• 信号处理是什么时候被处理的？
  在合适的时候处理，并不是信号来了就处理。所以需要记录下来。

• OS怎么向进程发送信号？
  普通信号有31个，进程PCB中有一个数据结构，是位图(只需要一个整数即可)。来记录当前进程是否收到对应位置的信号，OS向进程发送信号时，将对应位置置1即可。

实时信号是由链表构成的，一个时间可以收到多个信号，不会丢失。

三、信号的保存

3.1概念的认识

• 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）。上面说明过信号不是一产生就立即处理的。
• 进程可以选择阻塞某一个信号，被阻塞的信号产生时保持未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。
• 阻塞和忽略是有本质的不同，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后的处理方法。
  
  如上图：
• SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作（SIG_DEL）（未产生则不会递达）
• SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然其处理动作是忽略（SIG_IGN），但在没有递达前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会在改变处理动作之后再解除阻塞
• SIGQUIT信号未产生过，但一旦产生SIGQUIT信号，该信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler
• 如果进程解除对某一个信号阻塞之前，该信号产生了很多次只会被记录一次即pending表里对应位置记录的值为1，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（这里只讨论普通信号）

3.2sigset_t

上面提到了三张表，那作为用户想要拿到表里面的内容是不能直接拿到的。需要通过一些接口还有输出型参数才能拿到。而这个输出型参数的类型就是sigset_t。
sigset_t被称为信号集，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。
• 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
  阻塞信号集也被称为当前进程的信号屏蔽字，"屏蔽"应该理解为阻塞而不是忽略

3.3信号集操作函数

#include 
 
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);  

• sigemptyset函数：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
• sigfillset函数：初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置位，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号
• sigaddset函数：在set所指向的信号集中添加某种有效信号
• sigdelset函数：在set所指向的信号集中删除某种有效信号
• sigemptyset、sigfillset、sigaddset和sigdelset函数都是成功返回0，出错返回-1
• sigismember函数：判断在set所指向的信号集中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0，调用失败返回-1
  注意：
• 在使用sigset_t类型的变量前，一定要调用sigemptyset()或sigfillset()初始化，使信号处于确定的状态
• 代码中定义的sigset_t类型的变量s存在栈区，使用上面的函数只会对变量s造成影响，并不会影响进程的任何行为。还需通过sigprocmask()函数，才能将变量s的数据设置进操作系统

3.4sigprocmask && sigpending

3.4.1sigprocmask

作用：sigprocmask()函数可用于读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）

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

参数：

• 若oset是非空指针，则读取进程当前的信号屏蔽字通过oset参数传出
• 若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
• 若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
• how
  
  返回值：sigprocmask函数调用成功返回0，出错返回-1

3.4.2 sigpending

int sigpending(sigset_t *set)；

作用：sigpending()函数用于读取进程的未决信号集
sigpending()函数读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。该函数调用成功返回0，出错返回-1

3.5函数使用

mysignal.cc

#include
using namespace std;
#include
#include
void PrintPending(sigset_t& pending)
{
    for(size_t i=31;i>=1;i--)
    {
        if(sigismember(&pending,i)) cout<<"1";
        else    cout<<"0";
    }
    cout<<"\n\n";
}
void handler(int signo)
{
    cout<<"catch a singal:"<<signo<<endl;
}
int main()
{
    //对2号信号进行捕捉
    signal(2,handler);


    sigset_t bset,oset;
    sigemptyset(&bset);
    sigemptyset(&oset);
    sigfillset(&bset);
    sigfillset(&oset);
    //1.将2号信号进行屏蔽
    sigaddset(&bset,2);

    //1.2调用系统调用，将数据设置系统内核
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&bset,&oset);//将bset设置系统内核，在将系统内核原始的带回oset

    //2.打印pengding
    int cnt=15;
    while(true)
    {
        //15秒后解除阻塞
        if(cnt==0)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK,&oset,nullptr);
        }
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
        cnt--;
    }
    return 0;
}

现象：

四、信号的捕捉

进程收到信号之后，并不是立即处理信号，而是在合适的时候进行处理。"合适的时候"就是指，从内核态切换回用户态的时候。
当我们的进程从内核态返回用户态的时候，进行信号的检测和处理。

4.1内核态与用户态

• 内核态通常用来执行操作系统的代码，是一种权限非常高的状态

• 用户态是一种用来执行普通用户代码的状态，是一种受监管的普通状态

从用户态切换为内核态：

• 需要进行系统调用时

• 当前进程的时间片到了，导致进程切换

• 产生异常、中断、陷阱等

从内核态切换为用户态：

• 系统调用返回时
• 进程切换完毕
• 异常、中断、陷阱等处理完毕

由用户态切换为内核态被称之为陷入内核。每当需要陷入内核时，本质上是因为需要执行操作系统的代码。比如系统调用函数是由操作系统实现的，要进行系统调用就必须先由用户态切换为内核态

4.2内核空间与用户空间

每个进程都有自己的进程地址空间，该进程地址空间由内核空间和用户空间组成：

用户所写的代码和数据位于用户空间，通过用户级页表与物理内存之间建立映射关系
内核空间存储的实际上是操作系统代码和数据，通过内核级页表与物理内存之间建立映射关系
内核级页表是一个全局的页表，它用来维护操作系统的代码与进程之间的关系。在每个进程的进程地址空间中，用户空间是属于当前进程的，每个进程看到的代码和数据是完全不同的，但内核空间所存放的都是操作系统的代码和数据，所有进程看到的都是一样的内容

4.3信号捕捉

流程图：

简化图：

该图形与直线有几个交点就代表在这期间有几次状态切换，而箭头的方向就代表着此次状态切换的方向，图形中间的圆点就代表着检查pending表。

4.4sigcation

捕捉信号除了使用signal()函数外，还可以使用sigaction()函数

 int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

sigaction()函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作，该函数调用成功返回0，出错返回-1

• signum代表指定信号的编号
• 若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作
• 若oldact指针非空，则通过oldact传出该信号原来的处理动作

struct sigaction {
	void(*sa_handler)(int);
	void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
	sigset_t   sa_mask;
	int        sa_flags;
	void(*sa_restorer)(void);
};

sa_handler

• 将sa_handler赋值为SIG_IGN传给sigaction函数，表示忽略信号
• 将sa_handler赋值为SIG_DFL传给sigaction函数，表示执行系统默认动作
• 将sa_handler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

sa_sigaction
sa_sigaction是实时信号的处理函数
sa_mask
当某个信号的处理函数被调用，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，若这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。
若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，会自动恢复成原来的信号屏蔽字。
sa_flags
sa_flags字段包含一些选项，这里直接将sa_flags设置为0即可
sa_restorer
暂时不使用该参数

五、可重入函数

我们都知道链表在进行头插的时候需要两个步骤。步骤1，将需要头插的结点的next指向head。步骤2，head更新。
假设在执行完步骤1后突然来了一个信号并进行信号捕捉，对信号的处理方法是再进行头插node2。再头插完node2后回来执行步骤2就会出现下面的状况。

insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，这样的函数被称之为不可重入函数；反之，若一个函数只访问自己的局部变量或参数，则称之为可重入函数
一个函数符合以下条件之一就一定是不可重入的：
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，因为标准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

六、volatile

代码：

#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);//在优化的条件下，flag可能会被优化到cpu内的寄存器中
	 printf("process quit normal\n");
	 return 0;
}

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
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

七、SIGCHLD信号

其实，子进程在终止时操作系统会给父进程发生SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略，父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理动作，这样父进程就只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了，子进程终止时会通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait或waitpid函数清理子进程即可。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
 
void handler(int signo)
{
	cout << "get a signal:" << signo << endl;
	int ret = 0;
	while ((ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0) {
		cout << "wait child " << ret << " success" << endl;
	}
    exit(0);
}
int main()
{
	signal(SIGCHLD, handler);
	if (fork() == 0) {//child
		cout << "child is running, PID: " << getpid() << endl;
		exit(1);
	}
	//father
	while (1);
 
	return 0;
}

要想不产生僵尸进程还有另外一种办法：父进程调用signal或sigaction函数将SIGCHLD信号的处理动作设置为SIG_IGN，这样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signal或sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的，但这是一个特列。此方法对于Linux可用，但不保证在其他UNIX系统上都可用

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
 
int main()
{
	signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
	if (fork() == 0) { //child
		cout << "child is running, PID: " << getpid() << endl;
		sleep(3);
		exit(1);
	}
	//father
	while (1);
 
	return 0;
}