Linux信号机制之信号的保存与处理技巧分享
作者：Eternity._
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
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
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！