一篇文章彻底搞定信号

1.信号是什么?

信号其实就是一个软件中断。

例:

  1. 输入命令,在Shell下启动一个前台进程。
  2. 用户按下Ctrl-C,键盘输入产生一个硬件中断。
  3. 如果CPU当前正在执行这个进程的代码,则该进程的用户空间代码暂停执行, CPU从用户态切换到内核态处理硬件中断。
  4. 终端驱动程序将Ctrl-C解释成一个SIGINT信号,记在该进程的PCB中(也可以说发送了一个SIGINT信号给该进程)。
  5. 当某个时刻要从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前,首先处理PCB中记录的信号,发现有一个SIGINT信号待处理,而这个信号的默认处理动作是终止进程,所以直接终止进程而不再返回它的用户空间代码执行。

在这个例子中,由ctrl+c产生的硬件中断就是一个信号。Ctrl+C产生的信号只能发送给前台进程,命令后加&就可放到后台运行。 Shell可同时运行一个前台进程和任意多个后台进程,只有前台进程才能接受到像CTRL+C这种控制键产生的信号。

2.信号的种类

使用命令查看:

kill -l

非可靠信号:1~31号信号,信号可能会丢失 可靠信号:34~64号信号,信号不可能丢失

SIGHUP:1号信号,Hangup detected on controlling terminal or death of controlling process(在控制终端上挂起信号,或让进程结束),ation:term

SIGINT:2号信号,Interrupt from keyboard(键盘输入中断,ctrl + c ),action:term

SIGQUIT:3号信号,Quit from keyboard(键盘输入退出,ctrl+ | ),action:core,产生core dump文件

SIGABRT:6号信号,Abort signal from abort(3)(非正常终止,double free),action:core

SIGKILL:9号信号,Kill signal(杀死进程信号),action:term,该信号不能被阻塞、忽略、自定义处理

SIGSEGV:11号信号,Invalid memory reference(无效的内存引用,解引用空指针、内存越界访问),action:core

SIGPIPE:13号信号,Broken pipe: write to pipe with no readers(管道中止: 写入无人读取的管道,会导致管道破裂),action:term

SIGCHLD:17号信号,Child stopped or terminated(子进程发送给父进程的信号,但该信号为忽略处理的)

SIGSTOP:19号信号,Stop process(停止进程),action:stop

SIGTSTP:20号信号,Stop typed at terminal(终端上发出的停止信号,ctrl + z),action:stop

具体的信号采取的动作和详细信息可查看:man 7 signal

3.信号的产生

3.1硬件产生

硬件产生即通过终端按键产生的信号:

  1. ctrl + c:SIGINT(2),发送给前台进程,& 进程放到后台运行,fg 把刚刚放到后台的进程,再放到前台来运行
  2. ctrl + z:SIGTSTP(20),一般不用,除非有特定场景
  3. ctrl + | :SIGQUIT(3),产生core dump文件

产生core dump文件的条件:

当前OS一定不要限制core dump文件的大小,ulimit -a
磁盘空间要足够
如何产生:
3.1 解引用空指针,收到11号信号,产生core dump文件
3.2 内存访问越界,程序一旦崩溃,就会收到11号信号,也就会产生core dump文件
3.3 double free,收到6号信号,并产生core dump。
3.4 free(NULL),不会崩溃

3.2软件产生

软件产生即调用系统函数向进程发信号

  1. kill函数
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
参数解释:
pid:进程号
sig:要发送的信号值
返回值:成功返回0,失败返回-1,并设置错误
  1. kill命令:kill -[信号] pid,
  2. abort:void abort(void);,收到6号信号,谁调用该函数,谁就收到信号
  3. alarm:unsigned int alarm(unsigned int seconds);,收到14号信号,告诉内核在seconds秒后给进程发送SIGALRM信号,该信号默认处理动作为终止当前进程。

4.信号的注册

信号注册又分为可靠信号的注册和非可靠信号的注册。 信号注册实际上是一个位图和一个sigqueue队列。

4.1非可靠信号的注册

当进程收到非可靠信号时:

  1. 将非可靠信号对应的比特位置为1
  2. 添加sigqueue节点到sigqueue队列当中,但是,在添加sigqueue节点的时候,队列当中已然有了该信号的sigqueue节点,则不添加

4.2可靠信号的注册

当进程所受到可靠信号时:

在sig位图中更改信号对应的比特位为1 不论之前sigqueue队列中是否存在该信号的sigqueue节点,都再次添加sigqueue节点到sigqueue队列当中去

5.信号的注销

5.1非可靠信号的注销

信号对应的比特位从1置为0 将该信号的sigqueue节点从sigqueue队列当中进行出队操作

5.2可靠信号的注销

将该信号的sigqueue节点从sigqueue队列当中进行出队操作 需要判断sigqueue队列当中是否还有相同的sigqueue节点: ①没有了:信号比特位从1置为0 ②还有:不会更改sig位图中的比特位

6.信号阻塞

6.1信号是怎样阻塞的?

信号的阻塞,并不会干扰信号的注册。信号能注册,但不能被立即处理, 将block位图中对应的信号比特位置为1,表示阻塞该信号 进程收到该信号,还是一如既往的注册 当进程进入到内核空间,准备返回用户空间的时候,调用do_signal函数,就不会立即去处理该信号了 当该信号不被阻塞后,就可以进行处理了

6.2sigprocmask

函数原型:int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset); 参数解释:

how,该做什么样的操作SIG_BLOCK:设置信号为阻塞SIG_UNBLOCK:解除信号阻塞SIG_SETMASK:替换阻塞位图set:用来设置阻塞位图SIG_BLOCK:设置某个信号为阻塞,block(new) = block(old) | setSIG_UNBLOCK:解除某个信号阻塞,block(new)= block(old) & (~set)SIG_SETMASK:替换阻塞位图,block(new)= setoldset:原来的阻塞位图

例:下述例子,信号全部被阻塞,采用kill -9,将该进程结束掉

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


void signcallback(int signumber)
{
  printf("change the signal %d\n",signumber);
}

int main()
{
  sigset_t set;
  sigset_t oldset;
  sigfillset(&set);//所有比特位全置为1,则信号全部会被阻塞
  sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
  while(1)
  {
    sleep(1);
  }

  return 0;

结果: 此时发送信号是不会有作用的,采用kill -9强杀掉

7.信号未决

7.1 未决概念

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。

7.2 sigpending

函数原型:int sigpending(sigset_t *set); 读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功返回0,出错返回-1.

例:

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

void signalcallback(int signumber)
{
  printf("chang signumber %d\n",signumber);
}
void printsigset(sigset_t *set)
{
  int i = 0;
  for(;i < 32;i++)
  {
    if(sigismember(set,i))
    {
      putchar('1');
    }
    else{
      putchar('0');
    }
  }
}

int main()
{
  signal(2,signalcallback);
  signal(10,signalcallback);
  sigset_t set;
  sigset_t oldset;
  sigset_t pending;
  sigfillset(&set);//所有比特位全部置为1,则信号会全部被阻塞
  sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
  while(1)
  {
    sigpending(&pending);
    printsigset(&pending);
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

结果:

8.信号的处理方式

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞和未决,还有一个函数指针表示处理动作。

在上述例子中:

  1. SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
  2. 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。
  3. SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。

8.1signal函数

该函数可以更改信号的处理动作。

typedef void (*sighandler_t)(int);sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);参数解释:signum:更改的信号值handler:函数指针,要更改的动作是什么

实际上,该函数内部也调用了sigaction函数。

8.2sigaction函数

读取和修改与指定信号相关联的处理动作。

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

参数解释:

signum:待更改的信号值

struct sigaction结构体:

void     (*sa_handler)(int);//函数指针,保存了内核对信号的处理方式void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//sigset_t   sa_mask;//保存的是当进程在处理信号的时候,收到的信号int        sa_flags;//SA_SIGINFO,OS在处理信号的时候,调用的就是sa_sigaction函数指针当中//保存的值0,在处理信号的时候,调用sa_handler保存的函数void     (*sa_restorer)(void);

例:

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

void signcallback(int signumber)
{
  printf("change signumber %d\n",signumber);
}


int main()
{
  struct sigaction act;//act为入参
  sigemptyset(&act.sa_mask);
  act.sa_flags = 0;
  act.sa_handler = signcallback;

  struct sigaction oldact;//oldact为出参
  sigaction(3,&act,&oldact);
  while(1)
  {
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

结果:

8.3 自定义信号处理的流程

  1. task_struct结构体中有一个struct sighand_struct结构体。
  2. struct sighand_struct结构体有一个**struct k_sigaction action[_NSIG]**结构体数组。
  3. 该数组中,其中的**_sighandler_t sa_handler**保存的是信号的处理方式,通过改变其指向,可以实现我们对自定义信号的处理。

9.信号的捕捉

9.1信号捕捉的条件

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这就称为信号捕捉。

9.2信号捕捉流程

内核态返回用户态会调用do_signal函数,两种情况:

  1. 无信号:sys_return函数,返回用户态

  2. 有信号:先处理信号,信号返回,再调用do_signal函数 例:

  3. 程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。

  4. 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。

  5. 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。

  6. 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数, sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。

  7. sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。

  8. 如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

10.常用信号集操作函数

int sigemptyset(sigset_t *set);://将比特位图全置为0int sigfillset(sigset_t *set);//将比特位图全置为1int sigaddset(sigset_t *set, int signum);//将该set位图,多少号信号置为1int sigdelset(sigset_t *set, int signum);//将该set位图,多少号信号置为0int sigismember(const sigset_t *set, int signum);//信号signum是否是set位图中的信号

11.SIGCHLD信号

该信号是子进程在结束是发送给父进程的信号,但是该信号的处理方式是默认处理的。 父进程对子进程发送过来的SIGCHLD信号进行了忽略处理,就会导致子进程成为僵尸进程。

可以自定义该信号的处理方式:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>

void signcallback(int signumber)
{
  printf("change signal %d\n",signumber);
  wait(NULL);
}

int main()
{
  signal(17,signcallback);
  pid_t pid = fork();
  if(pid < 0)
  {
    perror("fork");
    return -1;
  }
  else if(pid == 0)
  {
    printf("I am child\n");
    sleep(1);
    exit(12);
  }
  else{
    while(1)
    {
      sleep(1);
    }
  }
  return 0;
}

指令查看后台:ps aux | grep ./fork

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