文章目录
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- 一、概述
- 二、信号详解
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- 1. 信号的概念
- 2. 信号的机制
- 3. 与信号相关的事件和状态
- 4. 信号的处理方式
- 5. 信号的编号
- 6. 信号4要素
- 7. Linux常规信号一览表
- 8. 信号的产生
- 9. 信号集操作函数
一、概述
二、信号详解
1. 信号的概念
信号在我们的生活中随处可见, 如:古代战争中摔杯为号;现代战争中的信号弹;体育比赛中使用的信号枪…他们都有共性:
1) 简单
2)不能携带大量信息
3)满足某个特设条件才发送。
信号是信息的载体,Linux/UNIX 环境下,古老、经典的通信方式, 现下依然是主要的通信手段。Unix早期版本就提供了信号机制,但不可靠,信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T都对信号模型做了更改,增加了可靠信号机制,但彼此不兼容。POSIX.1对可靠信号例程进行了标准化。
2. 信号的机制
A 给 B 发送信号,B收到信号之前执行自己的代码,收到信号后,不管执行到程序的什么位置,都要暂停运行,去处理信号,处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断,早期常被称为 软中断。
信号的特质:由于信号是通过软件方法实现,其实现手段导致信号有很强的延时性。但对于用户来说,这个延迟时间非常短,不易察觉。
每个进程收到的所有信号,都是由 内核 负责发送的,内核 处理。
3. 与信号相关的事件和状态
(1)产生信号
1)按键产生,如:Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+
2)系统调用产生,如:kill、raise、abort
3)软件条件产生,如:定时器alarm
4)硬件异常产生,如:非法访问内存(段错误)、除0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)
5)命令产生,如:kill命令
- 递达:递送并且到达进程。
- 未决:产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。
如下图所示,当 ctl+c 2号信号到达,如果设置为阻塞,且阻塞信号集和未决信号集中状态都为 1,只有当解阻塞该信号时,该信号才会被处理,同时设置未决信号集该信号状态为0。
4. 信号的处理方式
1)执行默认动作
2)忽略(丢弃)
3)捕捉(调用户处理函数)
Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体,task_struct,除了包含进程id,状态,工作目录,用户id,组id,文件描述符表,还包含了信号相关的信息,主要指阻塞信号集和未决信号集。
- 阻塞信号集(信号屏蔽字):
将某些信号加入集合,对他们设置屏蔽,当屏蔽x信号后,再收到该信号,该信号的处理将推后(解除屏蔽后)。
- 未决信号集:
1)信号产生,未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1,表示信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻转回为0(这一时刻往往非常短暂)。
2)信号产生后,由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前,信号一直处于未决状态。
5. 信号的编号
可以使用kill –l命令查看当前系统可使用的信号有哪些。
不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为 常规信号(也叫普通信号或标准信号),34-64称之为 实时信号,驱动编程与硬件相关。名字上区别不大,而前32个名字各不相同。
6. 信号4要素
与变量三要素类似的,每个信号也有其必备4要素,分别是:
1)编号
2)名称
3)事件
4)默认处理动作
可通过man 7 signal查看帮助文档获取:
在标准信号中,有一些信号是有三个“Value”,第一个值通常对alpha和sparc架构有效,中间值针对x86、arm和其他架构,最后一个应用于mips架构,一个‘-’表示在对应架构上尚未定义该信号。
不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在Unix系统内,也出现在Linux中,而有的信号出现在FreeBSD或Mac OS中却没有出现在Linux下。这里我们只研究Linux系统中的信号。重点关注中间的!
默认动作:
- Term:终止进程
- Ign: 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)
- Core:终止进程,生成Core文件。(查验进程死亡原因, 用于gdb调试)
- Stop:停止(暂停)进程
- Cont:继续运行进程
注意从man 7 signal帮助文档中可看到 : The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored。特别强调了 9) SIGKILL 和 19) SIGSTOP信号,不允许忽略和捕捉,只能执行默认动作,甚至不能将其设置为阻塞。
另外需清楚,只有每个信号所对应的事件发生了,该信号才会被递送(但不一定递达),不应乱发信号!!
7. Linux常规信号一览表
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SIGHUP: 当用户退出shell时,由该shell启动的所有进程将收到这个信号,默认动作为终止进程
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SIGINT:当用户按下了<Ctrl+C>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。默认动作为终止进程。
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SIGQUIT:当用户按下<ctrl+>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。默认动作为终止进程。
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SIGILL:CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件
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SIGTRAP:该信号由断点指令或其他 trap指令产生。默认动作为终止里程 并产生core文件。
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SIGABRT: 调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
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SIGBUS:非法访问内存地址,包括内存对齐出错,默认动作为终止进程并产生core文件。
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SIGFPE:在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误,还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
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SIGKILL:无条件终止进程。本信号不能被忽略,处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了可以杀死任何进程的方法。
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SIGUSE1:用户定义 的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
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SIGSEGV:指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生core文件。
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SIGUSR2:另外一个用户自定义信号,程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
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SIGPIPE:Broken pipe向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
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SIGALRM: 定时器超时,超时的时间 由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。
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SIGTERM:程序结束信号,与SIGKILL不同的是,该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。执行shell命令Kill时,缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。
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SIGSTKFLT:Linux早期版本出现的信号,现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。
- SIGCHLD:子进程结束时,父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。
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SIGCONT:如果进程已停止,则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。
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SIGSTOP:停止进程的执行。信号不能被忽略,处理和阻塞。默认动作为暂停进程。
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SIGTSTP:停止终端交互进程的运行。按下<ctrl+z>组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。
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SIGTTIN:后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。
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SIGTTOU: 该信号类似于SIGTTIN,在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。
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SIGURG:套接字上有紧急数据时,向当前正在运行的进程发出些信号,报告有紧急数据到达。如网络带外数据到达,默认动作为忽略该信号。
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SIGXCPU:进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间 ,系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。
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SIGXFSZ:超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。
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SIGVTALRM:虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM,但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。
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SGIPROF:类似于SIGVTALRM,它不公包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。
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SIGWINCH:窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。
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SIGIO:此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。
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SIGPWR:关机。默认动作为终止进程。
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SIGSYS:无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。
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SIGRTMIN ~ (64) SIGRTMAX:LINUX的实时信号,它们没有固定的含义(可以由用户自定义)。所有的实时信号的默认动作都为终止进程。
8. 信号的产生
(1)终端按键产生信号
Ctrl + c → 2) SIGINT(终止/中断) "INT" ----Interrupt
Ctrl + z → 20) SIGTSTP(暂停/停止) "T" ----Terminal 终端。
Ctrl + \ → 3) SIGQUIT(退出)
(2)硬件异常产生信号
除0操作 → 8) SIGFPE (浮点数例外) "F" -----float 浮点数
非法访问内存 → 11) SIGSEGV (段错误)
总线错误 → 7) SIGBUS
(3)kill命令产生信号
kill命令产生信号:
kill -SIGKILL pid
kill函数:给指定进程发送指定信号(不一定杀死)
int kill(pid_t pid, int sig);
成功:0;失败:-1 (ID非法,信号非法,普通用户杀init进程等权级问题),设置errno
- sig:不推荐直接使用数字,应使用宏名,因为不同操作系统信号编号可能不同,但名称一致。
- pid
- pid > 0: 发送信号给指定的进程。
- pid = 0: 发送信号给 与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程。
- pid < 0: 取|pid|发给对应进程组。
- pid = -1:发送给进程有权限发送的系统中所有进程。
进程组:每个进程都属于一个进程组,进程组是一个或多个进程集合,他们相互关联,共同完成一个实体任务,每个进程组都有一个进程组长,默认进程组ID与进程组长ID相同。
权限保护:super用户(root)可以发送信号给任意用户,普通用户是不能向系统用户发送信号的。 kill -9 (root用户的pid) 是不可以的。同样,普通用户也不能向其他普通用户发送信号,终止其进程。 只能向自己创建的进程发送信号。普通用户基本规则是:发送者实际或有效用户ID == 接收者实际或有效用户ID。
练习:循环创建5个子进程,任一子进程用kill函数终止其父进程。
练习:循环创建5个子进程,父进程用kill函数终止第3个子进程。
(4)raise 和 abort 函数
raise 函数:给当前进程发送指定信号(自己给自己发)
int raise(int sig); 成功:0,失败非0值
abort 函数:给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT 信号,终止并产生core文件
void abort(void); 该函数无返回
raise 和 abort示例
(5)软件条件产生信号
- alarm函数
设置定时器(闹钟)。在指定seconds后,内核会给当前进程发送14)SIGALRM信号。进程收到该信号,默认动作终止。
每个进程都有且只有唯一个定时器。
unsigned int alarm(unsigned int seconds); 返回0或剩余的秒数,无失败。
常用:取消定时器alarm(0),返回旧闹钟余下秒数。
例:alarm(5) → 3sec → alarm(4) → 5sec → alarm(5) → alarm(0)
定时,与进程状态无关(自然定时法)!就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸…无论进程处于何种状态,alarm都计时。
练习:编写程序,测试你使用的计算机1秒钟能数多少个数。
alarm示例
使用time命令查看程序执行的时间。 程序运行的瓶颈在于IO,优化程序,首选优化IO。
实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间
- setitimer函数
设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us,可以实现周期定时。
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,
struct itimerval *old_value);
成功:0;失败:-1,设置errno
参数:which:指定定时方式
- 自然定时:ITIMER_REAL → 14)SIGLARM 计算自然时间
- 虚拟空间计时(用户空间):ITIMER_VIRTUAL → 26)SIGVTALRM 只计算进程占用cpu的时间
- 运行时计时(用户+内核):ITIMER_PROF → 27)SIGPROF 计算占用cpu及执行系统调用的时间
- 两个参数都设置为0,即清0操作。
- it_interval:用来设定两次定时任务之间间隔的时间。
- it_value:定时的时长
- 两个参数都设置为0,即清0操作。
setitimer示例1
setitimer示例2
9. 信号集操作函数
内核通过读取未决信号集来判断信号是否应被处理。信号屏蔽字mask可以影响未决信号集。而我们可以在应用程序中自定义set来改变mask。已达到屏蔽指定信号的目的。
(1)信号集的设定
sigset_t类型的本质是位图,但不应该直接使用位操作,而应该使用上述函数,保证跨系统操作有效。
对比认知select 函数。
sigset_t set; // typedef unsigned long sigset_t;
int sigemptyset(sigset_t *set);
将某个信号集清0 成功:0;失败:-1
int sigfillset(sigset_t *set);
将某个信号集置1 成功:0;失败:-1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
将某个信号加入信号集 成功:0;失败:-1
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
将某个信号清出信号集 成功:0;失败:-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
判断某个信号是否在信号集中 返回值:在集合:1;不在:0;出错:-1
(2)sigprocmask函数
用来 屏蔽信号、解除屏蔽 也使用该函数。其本质,读取或修改进程的信号屏蔽字(PCB中)
严格注意,屏蔽信号:只是将信号处理延后执行(延至解除屏蔽);而忽略表示将信号丢处理。
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
成功:0;失败:-1,设置errno
参数:
- set:传入参数,是一个位图,set中哪位置1,就表示当前进程屏蔽哪个信号。
- oldset:传出参数,保存旧的信号屏蔽集。
- how参数取值: 假设当前的信号屏蔽字为mask
- SIG_BLOCK: 当how设置为此值,set表示需要屏蔽的信号。相当于
mask = mask|set
- SIG_UNBLOCK: 当how设置为此,set表示需要解除屏蔽的信号。相当于
mask = mask & ~set
- IG_SETMASK: 当how设置为此,set表示用于替代原始屏蔽及的新屏蔽集。相当于
mask = set
,若调用sigprocmask解除了对当前若干个信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,至少将其中一个信号递达。
- SIG_BLOCK: 当how设置为此值,set表示需要屏蔽的信号。相当于
(3)sigpending函数
读取当前进程的未决信号集
int sigpending(sigset_t *set);
set传出参数。 返回值:成功:0;失败:-1,设置errno
(4)信号捕捉
1)signal函数
注册一个信号捕捉函数:
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
该函数由ANSI定义,由于历史原因在不同版本的Unix和不同版本的Linux中可能有不同的行为。因此应该尽量避免使用它,取而代之使用sigaction函数。
2)sigaction函数
修改信号处理动作(通常在Linux用其来注册一个信号的捕捉函数)
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
struct sigaction *oldact);
成功:0;失败:-1,设置errno
参数:
- act:传入参数,新的处理方式。
- oldact:传出参数,旧的处理方式。
- struct sigaction:结构体
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_restorer:该元素是过时的,不应该使用,POSIX.1标准将不指定该元素。(弃用)
- sa_sigaction:当sa_flags被指定为SA_SIGINFO标志时,使用该信号处理程序。(很少使用)
重点:
- sa_handler:指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为SIG_IGN表忽略 或 SIG_DFL表执行默认动作
- sa_mask: 调用信号处理函数时,所要屏蔽的信号集合(信号屏蔽字)。注意:仅在处理函数被调用期间屏蔽生效,是临时性设置。
- sa_flags:通常设置为0,表使用默认属性。
3)信号捕捉特性
- 进程正常运行时,默认PCB中有一个信号屏蔽字,假定为*,它决定了进程自动屏蔽哪些信号。当注册了某个信号捕捉函数,捕捉到该信号以后,要调用该函数。而该函数有可能执行很长时间,在这期间所屏蔽的信号不由*来指定。而是用sa_mask来指定。调用完信号处理函数,再恢复为*。
- XXX信号捕捉函数执行期间,XXX信号自动被屏蔽。
- 阻塞的常规信号不支持排队,产生多次只记录一次。(后32个实时信号支持排队)
练习1:为某个信号设置捕捉函数。
练习2: 验证在信号处理函数执行期间,该信号多次递送,那么只在处理函数之行结束后,处理一次。
4)内核实现信号捕捉过程
(5)SIGCHLD函数
1)SIGCHLD产生的条件
- 子进程终止时
- 子进程接收到SIGSTOP信号停止时
- 子进程处在停止态,接受到SIGCONT后唤醒时
2)借助SIGCHLD函数回收子进程
子进程结束运行,其父进程会收到SIGCHLD信号。该信号的默认处理动作是忽略。可以捕捉该信号,在捕捉函数中完成子进程状态的回收。
SIGCHLD回收子进程示例
分析该例子。结合 17)SIGCHLD 信号默认动作,掌握父使用捕捉函数回收子进程的方式。
如果每创建一个子进程后不使用sleep可以吗?可不可以将程序中,捕捉函数内部的while替换为if?为什么?
if ((pid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) { ... }
思考:信号不支持排队,当正在执行SIGCHLD捕捉函数时,再过来一个或多个SIGCHLD信号怎么办?
3)子进程结束status处理方式
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)
options
- WNOHANG 没有子进程结束,立即返回
- WUNTRACED 如果子进程由于被停止产生的SIGCHLD,waitpid则立即返回
- WCONTINUED 如果子进程由于被SIGCONT唤醒而产生的SIGCHLD,waitpid则立即返回
获取status
- WIFEXITED(status) 子进程正常exit终止,返回真
- WEXITSTATUS(status) 返回子进程正常退出值
- WIFSIGNALED(status) 子进程被信号终止,返回真
- WTERMSIG(status) 返回终止子进程的信号值
- WIFSTOPPED(status) 子进程被停止,返回真
- WSTOPSIG(status)返回停止子进程的信号值
- WIFCONTINUED(status)
SIGCHLD信号注意问题:
- 子进程继承了父进程的信号屏蔽字和信号处理动作,但子进程没有继承未决信号集spending。
- 注意注册信号捕捉函数的位置。
- 应该在fork之前,阻塞SIGCHLD信号。注册完捕捉函数后解除阻塞。