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Linux信号机制之信号的保存与处理技巧分享

作者:Eternity._

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

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

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

在这里插入图片描述

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)

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

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);

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

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

调用系统调用接口就是在进程地址空间中进行的!

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

所以要想不让编译器优化,我们需要加上volatile

volatile int flag = 0;

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

以上就是Linux信号机制之信号的保存与处理技巧分享的详细内容,更多关于Linux信号机制的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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