Linux系统编程 | 【05】信号

清疚 2022-09-12 04:41 185阅读 0赞

## 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等  
> 他们都有`共性`：
> 
>  *  `简单`；
>  *  不能携带`大量`信息；
>  *  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。

### 文章目录 ###

*   *  前言
     *   *  一、简介
         *   *  1、信号的机制
             *  2、信号的事件与状态
             *  3、信号四要素
             *  4、常规信号
         *  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、raise、abort函数
             *   *  4.1 raise函数
                 *  4.2 abort函数
             *  4、软件条件产生信号
             *   *  4.1 alarm
                 *  4.2 setitimer函数
             *  5、信号集操作函数
             *   *  5.1 信号集设定
                 *  5.2 sigprocmask函数
                 *  5.3 sigpending函数
             *  6、信号捕捉
             *   *  6.1 sigaction
                 *  6.2 信号捕捉特性
                 *  6.3 内核信号捕捉过程

### 一、简介 ###

#### 1、信号的机制 ####

>  *  有接触过硬件（如单片机），类似于其中的`异步中断`。而信号是在软件上是实现的，则被称为`软中断`；
>  *  A给B发送信号，B收到后必须`暂停`手上的工作，去处理信号，直至处理完成在执行其它。

> **特质：** 由于通过软件来实现，其实现手段有很强的`延时性`。但对用户很短，`不易察觉`；
> 
>  *  每个进程收到的`所有信号`，都由`内核`负责发送的，内核处理；

#### 2、信号的事件与状态 ####

**产生信号**：

>  *  按键产生：`Ctrl+c`、`Ctrl+z`、`Ctrl+\`；
>  *  系统调用产生：`kill`、`raise`、`abort`；
>  *  软件条件产生：`定时器alarm`；
>  *  硬件异常产生：非法访问内存-段错误、除0、内存对齐-总线错误；
>  *  命令产生：kill

**递达**：

> 递送并且达进程；

**未决**：

> 产生和递送之间的状态。主要由于阻塞（屏蔽）- （集合 - 阻塞信号集或信号屏蔽字）导致该状态；

**信号的处理方式**：

>  *  执行默认动作；
>  *  忽略（丢弃）；
>  *  捕捉（调用户处理函数）；

**阻塞信号集**：

> 将`某些信号`加入集合，对他们`设置屏蔽`，当屏蔽x信号后，在收到该信号，该信号的处理将推后；

**未决信号集**：

>  *  信号产生，该描述立刻转为1，表信号处于`未决状态`，当信号处理后，即变为0；
>  *  信号产生后由于某些原因`不能抵达`，为`未决信号集`，在屏蔽接触前一直处于`未决`。

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#### 3、信号四要素 ####

>  *  编号；
>  *  名称；
>  *  事件；
>  *  默认处理动作；

#### 4、常规信号 ####

1) SIGHUP       2) SIGINT       3) SIGQUIT      4) SIGILL       5) SIGTRAP
     6) SIGABRT      7) SIGBUS       8) SIGFPE       9) SIGKILL     10) SIGUSR1
    11) SIGSEGV     12) SIGUSR2     13) SIGPIPE     14) SIGALRM     15) SIGTERM
    16) SIGSTKFLT   17) SIGCHLD     18) SIGCONT     19) SIGSTOP     20) SIGTSTP
    21) SIGTTIN     22) SIGTTOU     23) SIGURG      24) SIGXCPU     25) SIGXFSZ
    26) SIGVTALRM   27) SIGPROF     28) SIGWINCH    29) SIGIO       30) SIGPWR
    31) SIGSYS      34) SIGRTMIN    35) SIGRTMIN+1  36) SIGRTMIN+2  37) SIGRTMIN+3
    38) SIGRTMIN+4  39) SIGRTMIN+5  40) SIGRTMIN+6  41) SIGRTMIN+7  42) SIGRTMIN+8
    43) SIGRTMIN+9  44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
    48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
    53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9  56) SIGRTMAX-8  57) SIGRTMAX-7
    58) SIGRTMAX-6  59) SIGRTMAX-5  60) SIGRTMAX-4  61) SIGRTMAX-3  62) SIGRTMAX-2
    63) SIGRTMAX-1  64) SIGRTMAX

>  *  `SIGHUP`：当用户退出shell，由shell启动的所有进程将收到此信号，默认动作为`终止进程`；
>  *  `SIGINT`：当用户按下`Ctrl C`，会向正在运行的程序发送此信号，默认动作为`终止进程`；
>  *  `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`；
>  *  `SIGQUIT`：当用户按下`ctrl \`组合键时产生该信号，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`；
>  *  `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`；
>  *  `SIGTRAP`：该信号由`断点指令`或其他`trap指令`产生。默认动作为`终止进程`并产生`core 文件`；
>  *  `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`；
>  *  `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`；
>  *  `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`；
>  *  `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；
>  *  `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`；
>  *  `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`；
>  *  `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`;
>  *  `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`；
>  *  `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`；
>  *  `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；
>  *  `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`；
>  *  `SIGCONT`：如果进程`己停止`，则使其`继续运行`。默认动作为`继续/忽略`；
>  *  `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`；
>  *  `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`；
>  *  `SIGTTIN`：`后台进程`读终端控制台。默认动作为`暂停进程`；
>  *  `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`；
>  *  `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`；
>  *  `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`。
>  *  `SIGXFSZ`：超过文件的`最大长度设置`。默认动作为`终止进程`。
>  *  `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`。
>  *  `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`。
>  *  `SIGWINCH`：窗口`变化大小`时发出。默认动作为`忽略该信号`。
>  *  `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。
>  *  `SIGPWR`：关机，默认动作为`终止进程`；
>  *  SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。
>  *  34 SIGRTMIN ~ 64 SIGRTMAX: gINUX 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。

> 注：9号和19号不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作，也不能设置为阻塞；

**默认动作**

>  *  `Term`：终止进程；
>  *  `Ign`：忽略信号；
>  *  `Core`：终止进程，生成Core文件；
>  *  `Stop`：

### 二、信号的产生 ###

#### 1、终端按键产生信号 ####

>  *  `Ctrl c`：【2】SIGINT（终止/中断）；
>  *  `Ctrl z`：【20】SIGTSTP（暂停/停止）；
>  *  `Ct6rl \`：【3】SIGQUIT（退出）；

#### 2、硬件异常产生信号 ####

>  *  `除0操作`：【8】SIGFPE（浮点数例外）；
>  *  `非法访问内存`：【11】SIGSEGV（段错误）；
>  *  `总线错误`：【7】SIGBUS

#### 3、kill函数/命令产生信号 ####

int kill(pid_t pid, int sig);
    
    /*
    * @func：可用于向任何进程组或进程发送任何信号；
    * @param pid：如果pid为正，则信号sig被发送到pid指定ID的进程；
    		- 若pid=0，则sig被发送到调用进程的进程组中的每个进程；
    		- 若pid < 0，取pid发给对应进程组；
    		- pid = -1，发送进程有权限发送的系统中所有进程；
     - 进程组：每个进程偶读属于一个进程组，为集合；
     - 权限保护：root可向任意用户发送信号，普通用户无权限向root发送，也不能向其他用户发送
    * return：成功返回0，失败返回-1；
    */

/*---------------------------------------------------------------------- > File Name: killDemo.cpp > Author: Jxiepc > Mail: Jxiepc > Created Time: Wed 22 Sep 2021 08:54:35 PM CST ----------------------------------------------------------------------*/
    
    #include<iostream>
    #include<unistd.h>
    #include<cstring>
    #include<sys/types.h>
    #include<signal.h>
    
    int main(int argc, char *argv[]){ 
    	
    	pid_t pid, q;
    	int i;
    	for(i=0; i<5; ++i){ 
    		pid = fork();
    		if(pid == 0)
    			break;	
    		if(i == 2)
    			q = pid;
    	}
    
    	if(i < 5){ 
    		while(1){ 
    			std::cout << "child: " << i << "pid: " << getpid() << std::endl;	
    			sleep(1);
    		}	
    	}else{ 
    		sleep(1);
    		kill(q, SIGKILL);
    		while(1);
    	} 
    
    	return 0;
    }

#### 4、raise、abort函数 ####

##### 4.1 raise函数 #####

int raise(int sig);
    
    /*
    * @func：向调用进程或线程发送一个信号；
    * @param int：信号；
    * return：成功返回0，失败非0；
    */

##### 4.2 abort函数 #####

void abort(void);
    
    /*
    * @func：给自己发送异常终止信号【SIGABRT】，终止并产生core文件；
    */

#### 4、软件条件产生信号 ####

##### 4.1 alarm #####

unsigned int alarm(unsigned int seconds);
    
    /*
    * @func：安排一个SIGALRM信号以秒为单位传递给调用进程，每个进程都只有一个定时器；
    * @param seconds：若为0，则取消任何的挂起警报；
    * return：返回预定的警报即将被发送之前的剩余秒数，若无预先设定的警报，则为0；
    */

##### 4.2 setitimer函数 #####

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
    /*
    * struct itimerval {
    	struct timeval it_interval; /* next value */
    	struct timeval it_value;    /* current value */
    };
    
    *struct timeval {
    	 time_t      tv_sec;         /* seconds */
    	 suseconds_t tv_usec;        /* 微秒*/
    };
    * @func：设置定时器，可替代alarm，精度为us，可实现周期定时；
    * @param which：
    * 		- 自然定时：ITIMER_REAL 到【14】计算自然时间；
    * 		- 虚拟空间计时：ITIMER_VIRTUAL到【26】SIGVTALRM只计算进程占用cpu时间；
    * 		- 运行时计时（用户+内核）：ITIMER_PROF到【27】SIGPROF计算占用cpu及执行系统调用的时间；
    * @param itimerval：设定俩次定时任务之间间隔时间；【后续的定时时长】
    * @param it_value：定时的时长；
    * return：成功返回0，失败返回-1；
    */

#### 5、信号集操作函数 ####

> 内核通过读取`未决信号`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，故可`设定mask`来屏蔽指定信号；

##### 5.1 信号集设定 #####

>  *  `sigset_t set`：unsigned long；
>  *  `int sigemptyset(sigset_t *set)`：将某个信号清0；
>  *  `int sigfillset(sigset_t *set)`：将某个信号置为1；
>  *  `int sigaddset(sigset_t *set, int signum)`：将某个信号加入信号集；
>  *  `int sigdelset(sigset_t *set, int signum)`：将某个信号清出信号集；
>  *  `int sigismember(const sigset_t *setm ,int signum)`：判断某个信号是否在信号集中；

##### 5.2 sigprocmask函数 #####

> 用来`屏蔽、解除`信号。本质是`读取/修改`进程的信号屏蔽字；

> 注：屏蔽将信号延后执行，忽略是丢处理；

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
    
    /*
    * @func：`读取/修改`进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）；
    * @param how：
    * 		- SIG_BLOCK：屏蔽信号；
    * 		- SIG_UNBLOCK：解除屏蔽；
    * 		- SIG_SETMASK：阻塞信号集被设置为参数集；
    * @param set：set为NULL，则信号掩码不变，但 mask仍然以oldset的形式返回(如果它不是NULL)；
    * @param oldset：若oldset为非null，则信号掩码的前一个值存储在oldset中；
    */

##### 5.3 sigpending函数 #####

int sigpending(sigset_t *set);
    /*
    * @func：读取当前进程的未决信号集；
    * return：成功返回0，失败返回-1；
    */

#### 6、信号捕捉 ####

##### 6.1 sigaction #####

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
                         struct sigaction *oldact);
    
    struct sigaction {
                   void     (*sa_handler)(int);  // 默认为SIG_DFL、SIG_IGN来忽略该信号，或者一个指向信号处理函数的指针
                   void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
                   sigset_t   sa_mask; // 指定一个应该被阻塞的信号掩码
                   int        sa_flags; // Sa_flags指定一组修改信号行为的标志
                   void     (*sa_restorer)(void);  	/*函数已不停用*/ 
                   };
    
    /*
    * @func：注册捕捉信号；
    * @param signum：传入信号；
    * @param act：如果act非null，则从act开始安装信号signum的新动作；
    * @param oldact： 如果oldact是非null，前面的操作保存在oldact中；
    * return：成功返回0，失败返回-1；
    */

##### 6.2 信号捕捉特性 #####

>  *  程序运行时，默认有一个信号屏蔽字。当注册了某个捕捉函数则有sa\_mask来指定信号屏蔽字，直至函数调用结束；
>  *  哪个信号在捕捉函数执行期间，哪个信号就自动被屏蔽；
>  *  阻塞常规信号不支持排队，产生多次只记录一次

##### 6.3 内核信号捕捉过程 #####

>  *  执行主控制流程的`某条指令`时，因`中断、异常或系统调用`进入内核；
>  *  内核处理完成异常准备回用户模式之前先处理当前进程中`可递送的信号`；
>  *  若信号的处理动作是`自定义的信号处理函数`则回到用户模式执行信号处理函数（`而不是主控制流程`）；
>  *  信号处理函数返回时，执行特殊的`系统调用`再次进入内核；
>  *  返回用户模式从`主控流程`中，被中断的地方继续往下执行；

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