【Linux进程信号】Linux信号机制深度解析：保存与处理技巧

Eternity._

发布于 2024-10-15 09:10:14

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发布于 2024-10-15 09:10:14

文章被收录于专栏：登神长阶

🔍前言：在Linux操作系统的广阔天地中，信号机制无疑是一个充满挑战与机遇的领域。信号，作为进程间通信的一种重要方式，不仅承载着丰富的信息，还扮演着进程控制与管理的重要角色。然而，对于许多初学者而言，信号的保存与处理往往是一个难以逾越的障碍

本文旨在为广大Linux学习者提供一份详尽而实用的指南，帮助他们深入理解Linux中的信号机制，掌握信号的保存与处理技巧。我们将从信号的基本概念出发，逐步深入到信号的捕获、保存、处理以及恢复等各个环节，通过生动的实例和详细的解释，让读者能够轻松掌握这一复杂而强大的功能

让我们一同踏上这段充满探索与发现的旅程，共同揭开Linux信号机制的神秘面纱吧！

📒1. 信号的保存

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

🌊在内核中的表示

在Linux内核中，信号的保存主要依赖于三种数据结构：pending表、block表和handler表

pending表：

pending表是一张位图（bitmap），用于记录当前进程是否收到了信号，以及收到了哪些信号
当进程接收到一个信号时，对应的信号位图上的比特位就会由0置1，表示该信号处于未决（Pending）状态

block表：

block表也是一张位图，用于记录特定信号是否被屏蔽（阻塞）
比特位的内容为0表示不屏蔽，为1表示屏蔽。屏蔽的信号在解除屏蔽之前不会被操作系统处理

handler表：

handler表是一个函数指针数组，用于保存每个信号对应的处理方法
这些处理方法可以是默认的，或者忽略的，当然也可以是用户自定义的。当信号被递达时，操作系统会根据handler表找到对应的处理方法并执行

举个例子：上图SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞

🍂sigset_t

sigset_t是一个在Unix和Linux系统中用于表示信号集的数据类型。信号集本质上是一个信号的集合，用于指定多个信号，通过使用sigset_t，可以轻松地指定一组信号，并在诸如信号阻塞、信号等待等操作中使用这组信号

sigset_t信号集操作函数：

sigemptyset()：初始化信号集，将其设置为空集
sigfillset()：初始化信号集，将其设置为包含所有信号的集合
sigaddset()：向信号集中添加一个信号
sigdelset()：从信号集中删除一个信号
sigismember()：检查一个信号是否属于某个信号集

📙2. 信号集操作函数

信号集操作函数用于处理与信号集（sigset_t类型）相关的操作。这些函数允许用户初始化信号集、添加或删除信号、检查信号是否存在于信号集中，以及修改进程的信号屏蔽字

sigprocmask()函数：

读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

返回值:若成功则为0,若出错则为-1

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

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

代码示例：

void headler(int signo)
{
    cout << "headler: " << signo << endl;
    // exit(0);
}

int main()
{
    cout << "pid: " << getpid() << endl;
    signal(2, headler);

    sigset_t block, oblock;
	
	// 初始化
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);

    sigaddset(&block, 2); // 设置对2号信号的屏蔽

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock);

    while(1)
    {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

那我们到底能不能屏蔽所有普通信号呢？我们来测试一下

修改代码：

for(int signo = 1; signo <= 31; signo++) sigaddset(&block, signo);

我们发现9号信号，19号信号是不会被屏蔽的

注意：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

sigpending()函数：

读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出

返回值：调用成功则返回0，出错则返回-1

int sigpending(sigset_t *set);

代码示例：

void PrintPending(const sigset_t &pending)
{
    for(int signo = 32; signo > 0; signo--)
    {
        if(sigismember(&pending, signo))
        {
            cout << "1";
        }
        else{
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
	cout << "pid: " << getpid() << endl;
	
    // 屏蔽2号信号
    sigset_t set, oset;

    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);

    sigaddset(&set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
	
	int cnt = 0;    
    // 让进程不断获取当前进程的pending
    sigset_t pending;
    while(1)
    {
        sigpending(&pending);
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
		
		// 对2好信号进行解除屏蔽
		cnt++;
		if(cnt == 16)
		{
			cout << "对2号信号进行解除屏蔽，准备递达" << endl;
			sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
		}
    }
    return 0;
}

当我们对信号进行处理的时候，会先将pending位图中的1 -> 0，然后再去调用信号捕捉方法

📚3. 信号的处理

进程从内核态返回到用户态的时候（包含身份的变化），进行信号的检测和信号的处理

用户态是一种受控的状态，能够访问的资源是有限的（只能访问自己的[ 0 - 3GB] ）
内核态是一种操作系统的工作状态，能够访问大部分系统资源（可以让用户以OS的身份访问[ 3 - 4GB]）

调用系统调用接口就是在进程地址空间中进行的！

🌸sigaction

sigaction是一个POSIX标准的系统调用，用于更改和检查信号的处理方式。与传统的signal函数相比，sigaction提供了更多的控制选项和更可靠的信号处理方式

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

signum：信号编号，指定要设置的信号
act：指向sigaction结构的指针，在sigaction的实例中指定了对特定信号的处理。如果为NULL，则进程会以缺省方式对信号处理
oldact：指向的对象用来保存原来对相应信号的处理，如果为NULL，则不保存

act和oldact指向sigaction结构体

代码示例：

void Print(const sigset_t &pending);

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << endl;

    while(1)
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);
        Print(pending);
        
        sleep(1);
    }
}

void Print(const sigset_t &pending)
{
    for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
    {
        if(sigismember(&pending, signo))
        {
            cout << "1";
        }
        else
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    cout << "pid: " << getpid() << endl;

    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;

    // 增加对3号信息的屏蔽
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);

    // 对2信号进行屏蔽
    sigaction(2, &act, &oact); 

    while(1) sleep(1);

    return 0;
}

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

多个信号情况：

代码示例：

void Print(const sigset_t &pending);

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << endl;
    sleep(1);
}

void Print(const sigset_t &pending)
{
    for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
    {
        if(sigismember(&pending, signo))
        {
            cout << "1";
        }
        else
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    signal(3, handler);
    signal(4, handler);
    signal(5, handler);

    sigset_t mask, omask;
    sigemptyset(&mask);
    sigemptyset(&omask);

    sigaddset(&mask, 2);
    sigaddset(&mask, 3);
    sigaddset(&mask, 4);
    sigaddset(&mask, 5);

    sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &omask);

    cout << "pid: " << getpid() << endl;

    int cnt = 20;
    while(1) 
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);
        Print(pending);

        cnt--;
        sleep(1);
        if(cnt == 0)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &omask, nullptr);
            cout << "cancel 2,3,4,5 block" << endl;
        }
    }

    return 0;
}

由实验结果来看，我们系统是等所有的信号处理完全了，统一再进行返回的，并且他并不是按照顺序来处理信号的

📜4. 可重入函数

可重入函数是指可以被多个任务（如线程、进程）同时调用，并且能保证每个任务调用该函数时都能得到正确结果的函数。换句话说，这种函数在执行的任何时刻都可以被中断，然后在中断点恢复执行而不会导致错误

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，刚做完第一步的时候，因为硬件中断使进程切换到内核，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
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

不可重入函数（符合以下任一条件）：

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

📝5. volatile

volatile是一个类型修饰符，用于告诉虚拟机该变量是极有可能多变的，从而免于一些优化措施，确保变量的正确性和线程间的通信。它主要用于多线程环境下的变量共享，确保变量的可见性和有序性

代码示例：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

int flag = 0;

void headler(int signo)
{
    cout << "signo: " << signo << endl;
    flag = 1;
    cout << "change flag to: " << flag << endl;
}

int main()
{
    signal(2, headler);

    cout << "pid: " << getpid() << endl;
    while(!flag);
    cout << "qiut normal!" << endl;
    return 0;
}

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

优化情况下（-O2）(不是数字0)，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

所以要想不让编译器优化，我们需要加上volatile

volatile int flag = 0;

📖6. 总结

🌵SIGCHLD信号（了解）

SIGCHLD信号在子进程状态改变时发送给其父进程。子进程的状态改变包括以下几种情况：

子进程终止，无论是正常终止还是异常终止（如有core dump或无core dump）
子进程停止，例如接收到SIGSTOP信号
停止的子进程被SIGCONT信号唤醒并继续执行

代码示例：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h> 

using namespace std;

void handle(int signo) {  
    int status;  
    pid_t pid;  
    while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {  
        if (WIFEXITED(status)) {  
            printf("Child %d exited with status %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));  
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {  
            printf("Child %d killed by signal %d\n", pid, WTERMSIG(status));  
        }  
    }  
}  
  
int main() {  
    pid_t pid;  
    struct sigaction act;  
  
    // 设置SIGCHLD信号的处理函数  
    act.sa_handler = handle;  
    sigemptyset(&act.sa_mask);  
    act.sa_flags = 0;  
    sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);  
  
    // 创建子进程  
    pid = fork();  
    if (pid < 0) 
    {  
        perror("fork");  
        exit(1);  
    } 
    else if (pid == 0)
     {  
        // 子进程代码  
        printf("Child process (PID: %d) is running\n", getpid());  
        sleep(5); // 模拟子进程工作  
        exit(0);  // 子进程正常退出  
    } 
    else 
    {  
        // 父进程代码  
        printf("Parent process (PID: %d) is running\n", getpid());  
        // 父进程可以继续执行其他任务，等待SIGCHLD信号来回收子进程  
        while (1) {  
            sleep(10); // 模拟父进程工作  
            printf("Parent process is still running\n");  
        }  
    }  
  
    return 0;  
}

父进程设置了SIGCHLD信号的处理函数handle_sigchld，该函数会在子进程状态改变时被调用。在处理函数中，父进程使用waitpid()函数来回收子进程的资源

随着我们对Linux中信号保存与处理机制的深入探讨，我们不难发现，信号不仅是进程间通信的一种重要手段，更是Linux操作系统内核提供的一种强大而灵活的控制机制。通过信号的捕获、保存、处理以及恢复，我们可以实现对进程行为的精确控制，从而满足各种复杂的系统需求

在本文的学习过程中，我们共同经历了从信号的基本概念到高级应用的逐步深入，见证了信号处理在Linux编程中的广泛应用和重要作用。我们不仅掌握了信号的捕获和处理技巧，还学会了如何在实际开发中灵活运用这些技巧来解决实际问题
学习之路永无止境。虽然我们已经对Linux中的信号机制有了较为深入的了解，但仍有许多未知和待探索的领域等待我们去发现。例如，信号的实时性、优先级以及信号与线程的关系等高级话题，都是值得我们进一步学习和研究的

我相信，通过我们的共同努力和不断学习，你一定能够在Linux编程的道路上越走越远，取得更加辉煌的成就！不断探索和学习新的领域，不断提升自己的编程能力和技术水平!