• Linux下的系统编程——信号(十一)


    前言:

    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,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。

    目录

    一、信号的概念:

     1.信号的机制:

    2.信号相关的事件:

        (1)产生信号:

        (2)未决:

        (3)递达:

        (4)信号处理方式:

         (5)阻塞信号集(信号屏蔽字):

         (6)未决信号集:

     3.信号的编号:

    4.信号 4 要素

    二、信号的产生:

    1.终端按键产生信号

    2.硬件异常产生信号

    3.kill 函数/命令产生信号

    4.alarm:

    5.setitimer:

    三、信号集操作函数:

    1.信号集设定

    2.sigprocmask 函数

    3.sigpending 函数

    四、信号捕捉:

    1.signal 函数

    ***2.sigaction 函数:

     3.信号捕捉特性:

    4.内核实现信号捕捉过程:

    五、SIGCHLD

    1.SIGCHID的产生条件 

    2.借助信号完成 子进程回收

     六、中断系统调用


    一、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。

     1.信号的机制:

    信号的特质:

           信号是软件层面上的“中断”。一旦信号产生,无论程序执行到什么位置,必须立即停止运行,处理信号,处理结束,再继续执行后续指令。

        所有信号的产生及处理全部都是由【内核】完成的

    2.信号相关的事件:

        (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

        (2)未决:

                    产生与递达之间状态。  主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态

        (3)递达:

                    产生并且送达到进程。直接被内核处理掉。

        (4)信号处理方式:

                    执行默认处理动作、忽略、捕捉(自定义)


         (5)阻塞信号集(信号屏蔽字):

                    本质:位图。用来记录信号的屏蔽状态。一旦被屏蔽的信号,在解除屏蔽前,一直处于未决态。

         (6)未决信号集:

                    本质:位图。用来记录信号的处理状态。该信号集中的信号,表示已经产生,但尚未被处理。

     3.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。

    4.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,信号使用之前,应先确定其4要素,而后再用!!!分别是:

       1. 编号       2. 名称        3. 事件         4. 默认处理动作

    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

    可通过 man 7 signal 查看帮助文档获取。也可查看:

    /usr/src/linux-headers-3.16.0-30/arch/s390/include/uapi/asm/signal.h

    这里特别强调: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!!

      1) 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

      2) SIGINT:当用户按下了组合键时,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。

      3) SIGQUIT:当用户按下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。

      4) 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

      5) 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。

      6) 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。

      7) 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。

      8) 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。

      9) 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。

     10) 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。

     11) 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。

     12) S IGUSR2: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。

     13) 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

     14) 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。

     15) 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。  

     16) 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。

     17) SIGCHLD:子进程状态发生变化时,父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号

      18) SIGCONT:如果进程已停止,则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。

      19) 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。

      20) SIGTSTP:停止终端交互进程的运行。按下组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。  

      21) SIGTTIN:后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。

      22) 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。

      23) 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。

      24) 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。

      25) SIGXFSZ:超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。

      26) 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。

     27) 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。

     28) SIGWINCH:窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。

     29) 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。

     30) SIGPWR:关机。默认动作为终止进程。

     31) SIGSYS:无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生 core 文件。

    二、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

    1. #include
    2. int main()
    3. {
    4. int a = 10;
    5. int b = a / 0; //除0操作
    6. return 0;
    7. }

    3.kill 函数/命令产生信号

    int kill(pid_t pid, int signum

        参数:
            pid:     > 0:发送信号给指定进程

                       = 0:发送信号给跟调用kill函数的那个进程处于同一进程组的进程。

                       < -1: 取绝对值,发送信号给该绝对值所对应的进程组的所有组员。

                       = -1:发送信号给,有权限发送的所有进程。

            signum:待发送的信号

        返回值:
            成功: 0

            失败: -1 errno

    4.alarm:

         alarm 函数:使用自然计时法

        每个进程都有且只有唯一个定时器

        定时发送SIGALRM当前进程

        unsigned int alarm(unsigned int seconds);

            seconds:定时秒数

            返回值:上次定时剩余时间。

                           无错误现象,调用一定会成功 。

            alarm(0): 取消闹钟,返回旧闹钟余下秒数。

            time 命令 : 查看程序执行时间。  

                              实际时间 = 用户时间 + 内核时间 + 等待时间。  --》 优化瓶颈 IO

    1. #include
    2. #include
    3. int main()
    4. {
    5. int i;
    6. alarm(1);
    7. for(i = 0;;i++)
    8. printf("%d\n",i);
    9. return 0;
    10. }

    重定向到out,忽视等待时间

    5.setitimer:

    int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

        参数:
            which:    

                ITIMER_REAL: 采用自然计时。          ——> SIGALRM

                ITIMER_VIRTUAL: 采用用户空间计时    ——> SIGVTALRM

                ITIMER_PROF: 采用内核+用户空间计时 ——> SIGPROF
            

            new_value:定时秒数

    1. 类型:struct itimerval {
    2. struct timeval {
    3. time_t tv_sec; /* seconds */
    4. suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
    5. }it_interval; ---> 周期定时秒数
    6. struct timeval {
    7. time_t tv_sec;
    8. suseconds_t tv_usec;
    9. }it_value; ---> 第一次定时秒数
    10. };

            old_value:传出参数,上次定时剩余时间。
        
            e.g.
                struct itimerval new_t;    
                struct itimerval old_t;    

                new_t.it_interval.tv_sec = 0;
                new_t.it_interval.tv_usec = 0;


                new_t.it_value.tv_sec = 1;
                new_t.it_value.tv_usec = 0;

                int ret = s etitimer(&new_t, &old_t);  定时1秒

        返回值:
            成功: 0

            失败: -1 errno

    1. #include
    2. #include
    3. #include
    4. void myfunc(int signo)
    5. {
    6. printf("hello world\n");
    7. }
    8. int main(void)
    9. {
    10. struct itimerval it, oldit;
    11. signal(SIGALRM, myfunc); //注册SIGALRM信号的捕捉处理函数。
    12. it.it_value.tv_sec = 2;
    13. it.it_value.tv_usec = 0;
    14. it.it_interval.tv_sec = 5;
    15. it.it_interval.tv_usec = 0;
    16. if(setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oldit) == -1){
    17. perror("setitimer error");
    18. return -1;
    19. }
    20. while(1);
    21. return 0;
    22. }

    三、信号集操作函数:

    1.信号集设定

    sigset_t set;                                                       自定义信号集   

    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

                       1. 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

                       2. 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

                       3. SIG_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。

    3.sigpending 函数

             读取当前进程的未决信号集

             int sigpending(sigset_t *set);

            set 传出的未决信号集

            返回值:成功:0;失败:-1, 设置 errno

            练习:编写程序。把所有常规信号的未决状态打印至屏幕。

            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. #include
    2. #include
    3. #include
    4. #include
    5. #include
    6. #include
    7. #include
    8. void sys_err(const char *str)
    9. {
    10. perror(str);
    11. exit(1);
    12. }
    13. void print_set(sigset_t *set)
    14. {
    15. int i;
    16. for(i = 1;i < 32;i++){
    17. if(sigismember(set,i))
    18. putchar('1');
    19. else
    20. putchar('0');
    21. }
    22. printf("\n");
    23. }
    24. int main(int argc,char *argv[])
    25. {
    26. sigset_t set,oldset,pedset;
    27. int ret = 0;
    28. sigemptyset(&set);
    29. sigaddset(&set,SIGINT); //设置Ctrl^C的阻塞
    30. sigaddset(&set,SIGQUIT); //设置Ctrl^\的阻塞
    31. sigaddset(&set,SIGKILL); //设置总线的阻塞
    32. sigaddset(&set,SIGBUS); //设置总线的阻塞
    33. ret = sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);
    34. if(ret == -1)
    35. sys_err("sigprocmask error");
    36. while(1){
    37. ret = sigpending(&pedset);
    38. if(ret == -1)
    39. sys_err("sigpending error");
    40. print_set(&pedset);
    41. sleep(1);
    42. }
    43. return 0;
    44. }

     

    *四、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。

             void (*signal(int signum, void (*sighandler_t)(int))) (int);

            能看出这个函数代表什么意思吗? 注意多在复杂结构中使用 typedef

    signal信号捕捉:

    1. #include
    2. #include
    3. #include
    4. #include
    5. #include
    6. #include
    7. void sys_err(const char *str)
    8. {
    9. perror(str);
    10. exit(1);
    11. }
    12. void sig_cath(int signo)
    13. {
    14. printf("cath you!!! %d\n",signo);
    15. return ;
    16. }
    17. int main(int argc,char *argv[])
    18. {
    19. signal(SIGINT,sig_cath); //创建Ctrl^C信号捕捉
    20. while(1);
    21. return 0;
    22. }

    ***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。 【signal.c】

            struct sigaction 结构体

    1.  struct sigaction {
    2.        void (*sa_handler)(int);
    3.        void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    4.        sigset_t sa_mask;
    5.        int sa_flags;
    6.        void (*sa_restorer)(void);
    7. };

            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)

     重点掌握:

             ① 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

            ② 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。

            ③ sa_flags:通常设置为 0,表使用默认属性。

    1. #include
    2. #include
    3. #include
    4. #include
    5. #include
    6. #include
    7. #include
    8. void sys_err(const char *str)
    9. {
    10. perror(str);
    11. exit(1);
    12. }
    13. void sig_catch(int signo) // 回调函数
    14. {
    15. if (signo == SIGINT) {
    16. printf("************catch you!! %d\n", signo);
    17. sleep(1);
    18. }
    19. else if (signo == SIGQUIT)
    20. printf("-----------catch you!! %d\n", signo);
    21. return ;
    22. }
    23. int main(int argc, char *argv[])
    24. {
    25. struct sigaction act, oldact;
    26. act.sa_handler = sig_catch; // 设置回调函数
    27. sigemptyset(&(act.sa_mask)); // 清空sa_mask屏蔽字, 只在sig_catch工作时有效
    28. act.sa_flags = 0; // 默认值
    29. int ret = sigaction(SIGINT, &act, &oldact); //注册信号捕捉函数
    30. if (ret == -1)
    31. sys_err("sigaction error");
    32. ret = sigaction(SIGQUIT, &act, &oldact); //注册信号捕捉函数
    33. while (1);
    34. return 0;
    35. }

     3.信号捕捉特性:

        1. 捕捉函数执行期间,信号屏蔽字由 mask --> sa_mask , 捕捉函数执行结束。 恢复回mask

        2. 捕捉函数执行期间,本信号自动被屏蔽(sa_flgs = 0).

        3. 捕捉函数执行期间,被屏蔽信号多次发送,解除屏蔽后只处理一次

    1. #include
    2. #include
    3. #include
    4. #include
    5. #include
    6. #include
    7. #include
    8. void sys_err(const char *str)
    9. {
    10. perror(str);
    11. exit(1);
    12. }
    13. void sig_catch(int signo) // 回调函数
    14. {
    15. if (signo == SIGINT) {
    16. printf("************catch you!! %d*********\n", signo);
    17. sleep(10);
    18. }
    19. /*
    20. else if (signo == SIGQUIT)
    21. printf("-----------catch you!! %d\n", signo);
    22. */
    23. return ;
    24. }
    25. int main(int argc, char *argv[])
    26. {
    27. struct sigaction act, oldact;
    28. act.sa_handler = sig_catch; // 设置回调函数
    29. sigemptyset(&(act.sa_mask)); // 清空sa_mask屏蔽字, 只在sig_catch工作时有效
    30. act.sa_flags = 0; // 默认值
    31. int ret = sigaction(SIGINT, &act, &oldact); //注册信号捕捉函数
    32. if (ret == -1)
    33. sys_err("sigaction error");
    34. //ret = sigaction(SIGQUIT, &act, &oldact); //注册信号捕捉函数
    35. while (1);
    36. return 0;
    37. }

    4.内核实现信号捕捉过程:

    五、SIGCHLD

    1.SIGCHID的产生条件 

    子进程终止时

    子进程接收到SIGSTOP信号停止时

    子进程处于停止状态,接受到 SIGCONT 后唤醒时

    2.借助信号完成 子进程回收

    1. #include
    2. #include
    3. #include
    4. #include
    5. #include
    6. #include
    7. #include
    8. #include
    9. void sys_err(const char *str)
    10. {
    11. perror(str);
    12. exit(1);
    13. }
    14. void catch_child(int signo)
    15. {
    16. pid_t wpid;
    17. int status;
    18. //while((wpid = wait(NULL)) != -1) {
    19. while((wpid = waitpid(-1, &status, 0)) != -1) { // 循环回收,防止僵尸进程出现.
    20. if (WIFEXITED(status))
    21. printf("---------------catch child id %d, ret=%d\n", wpid, WEXITSTATUS(status));
    22. }
    23. return ;
    24. }
    25. int main(int argc, char *argv[])
    26. {
    27. pid_t pid;
    28. //阻塞
    29. int i;
    30. for (i = 0; i < 15; i++)
    31. if ((pid = fork()) == 0) // 创建多个子进程
    32. break;
    33. if (15 == i) {
    34. struct sigaction act;
    35. act.sa_handler = catch_child; // 设置回调函数
    36. sigemptyset(&act.sa_mask); // 设置捕捉函数执行期间屏蔽字
    37. act.sa_flags = 0; // 设置默认属性, 本信号自动屏蔽
    38. sigaction(SIGCHLD, &act, NULL); // 注册信号捕捉函数
    39. //解除阻塞
    40. printf("I'm parent, pid = %d\n", getpid());
    41. while (1);
    42. } else {
    43. printf("I'm child pid = %d\n", getpid());
    44. return i;
    45. }
    46. return 0;
    47. }

    解决方法:

    1. void catch_child(int signo)
    2. {
    3. pid_t wpid;
    4. while((wpid = wait(NULL)) != -1){ //循环回收,防止僵尸进程出现
    5. printf("**********catch child id **********%d\n",wpid);
    6. }
    7. return ;
    8. }

     六、中断系统调用

    系统调用可分为两类:慢速系统调用和其他系统调用。

    1. 慢速系统调用:可能会使进程永远阻塞的一类。如果在阻塞期间收到一个信号,该系统调用就被

        中断,不再 继续执行(早期);也可以设定系统调用是否重启。如,read、write、pause、wait...

    2. 其他系统调用:getpid、getppid、fork...

    结合 pause,回顾慢速系统调用:

            慢速系统调用被中断的相关行为,实际上就是 pause 的行为: 如,read

                    ① 想中断 pause,信号不能被屏蔽。

                    ② 信号的处理方式必须是捕捉 (默认、忽略都不可以)

                    ③ 中断后返回-1, 设置 errno 为 EINTR(表“被信号中断”)

    可修改 sa_flags 参数来设置被信号中断后系统调用是否重启。SA_INTERRURT 不重启。 SA_RESTART 重启。

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/m0_63168877/article/details/132775486