APUE_信号

谁践踏了优雅 2022-12-26 10:19 184阅读 0赞

### 1.引言 ###

信号是软件中断，提供了一种处理异步事件的方法。每个信号都有一个名字，以字符SIG开头，定义为正整数。很多条件可以产生信号：

1、当用户按某些终端键时，引发终端产生的信号，如中断（Ctrl+C，SIGINT）、退出（Ctrl+/，SIGQUIT）和挂起（Ctrl+Z，SIGTSTP）键。

2、硬件异常产生信号，如除数为0、浮点溢出（SIGFPE），无效的内存引用（SIGSEGV）等。

3、子进程退出的时候向父进程发送SIGCHLD

4、进程调用kill函数可将信号发送给另一个进程或进程组。

5、用户可用kill命令将信号发送给其它进程。常用此命令终止一个失控的后台进程。

6、当检测到某种软件条件已经发生，并应将其通知有关时也产生信号，如进程所设置的定时器到期时产生SIGALRM。

当某个信号出现时，可以以三种方式之一进行处理：

忽略信号（SIG\_IGN）。有两种信号（SIGKILL和SIGSTOP）不能被忽略，它们向超级用户提供了使进程终止或停止的可靠方法。

捕捉信号（程序员为某信号注册处理函数）。为做到这一点，要通知内核在某种信号发生时调用一个用户函数。不能捕捉SIGKILL和SIGSTOP信号。

执行系统默认动作(SIG\_DFL)。针对大多数信号的系统默认动作是终止进程。

### 2.signal函数 ###

signal是信号注册函数，对一个信号，注册一个处理函数，当然，该函数可以是SIG\_IGN\\SIG\_DFL。

#include <signal.h>
    void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);
    				//成功返回信号以前的配置（所以返回值为函数指针），出错返回SIG_ERR

### 3.可重入函数 ###

信号处理程序就是一个中断，然后进程停止执行原来的代码，转而执行信号处理程序。可以看做信号处理程序和进程主程序是并行的，对于并行程序，互斥很重要！！！

如果主程序在调用mallloc的时候中断，并且信号处理程序也调用malloc会发生什么？可能会对进程造成破坏。为什么？因为malloc为其所分配的存储区维护一个链表，而信号中断的时候进程可能正在修改这个链表，而信号处理程序又调用malloc。这就是没有实现互斥！

当然，互斥经常是用来保护共享对象的，所以如果进程使用静态数据结构（在静态存储区存储，比如全局变量），那么可能返回进程之后，进程所读静态数据结构的值已经被信号处理函数修改。

还有如果调用IO库函数的话也可能出错，因为IO库中的很多实现都以不可重入方式使用全局数据结构。

综上有三种情况使得函数成为不可重入函数：1、使用静态数据结构（全局）；2、调用malloc或者free；3、标准IO函数。

**       注意：这里只是用信号处理函数来说明（不）可重入函数，其实宽泛来讲是对中断来说的（信号处理就是一种中断）。**

**      ** 规避上述3点导致函数为不可重入函数的原因就可以写出可重入函数！！！

### 4.可靠信号术语和意义 ###

产生一个信号，并向进程发送称为向进程递送了一个信号。信号产生和递送之间的时间间隔内，信号是未决的。

进程可以选用信号递送阻塞（sigprocmask），如果对这个信号的处理动作是系统默认或者捕捉（而不是忽略），那么系统会记下这个信号，等到进程对其解除阻塞或者处理动作更改为忽略。只要进程没有处理这个信号，在阻塞阶段信号依然是未决的，此时可以更改处理动作。

如果在进程解除对某个信号的阻塞之前，这种信号发生了多次，那么将如何呢？支持POSIX.1实时扩展的系统会对信号进行排队，其他系统只会递送此信号一次。linux/unix默认是不排队的！！！

### 5.kill和raise函数 ###

kill函数将信号发送给进程或进程组，raise函数则允许进程向自身发送信号。

#include <signal.h>
    int kill(pid_t pid, int signo);
    int raise(int signo);
    			//成功返回0，出错返回-1
    //调用raise(signo);等于调用kill(getpid(), signo);
    //kill的pid有4种不同的情况：pid>0；pid==0；pid<0；pid==-1；具体见APUE

### 6.alarm和pause函数 ###

使用alarm函数可以设置一个计时器，在将来某个指定的时间该计时器会超时。当计时器超时时，产生SIGALRM信号。如果不忽略或捕捉该信号，则其默认动作是终止调用该alarm函数的进程。

#include <unistd.h>
    unsigned int alarm(unsigned int seconds);
    				//返回值：0或以前设置的闹钟时间的秒数

进过指定的secondes的描述，就会产生SIGALRM信号，这个信号是内核发送的。注意，由于进程调度的延迟，所以进程得到控制从而能够处理该信号还需一些时间。

每个进程只能有一个闹钟时钟，但是可以多次设置。当设置的时候，以前的闹钟还没有超时，那么返回值就是以前设置闹钟时间所剩余的秒数，并且闹钟被重置。**如果本次的设置值为0，那么就取消以前的闹钟。**

pause函数是调用进程挂起直至捕捉到一个信号。经常程序的最后一句用pause，此时程序已经执行完，所以信号可以由终端来发出，比如Ctrl+C。

#include <signal.h>
    int pause();
    	//返回-1，并将errno设置为EINTR

代码示例：用alarm和pause函数来实现sleep函数

//这个函数有缺陷，主要的问题就在于longjmp，可能使得其他信号处理函数提前终止，
    //如果其他信号处理函数需要的时间超过sleep的时间，因为longjmp跳过了程序栈帧
    //如果改用siglongjmp就好了，在信号处理中要使用siglongjmp
    #include <signal.h>
    #include <unistd.h>
    #include <setjmp.h>
    static jmp_buf env_alrm;//记录跳跃的信息
    static void sig_alrm(int signo)
    {
    	longjmp(env_alrm,1);    //信号处理函数中需要使用sigsetjmp和siglongjmp
    }
    unsigned int sleep2(unsigned int seconds)
    {
    	signal(SIGALRM,sig_alrm);  //错误处理省略了
    	if(setjmp(env_alrm)==0)     //用longjmp就是为了避免alarm和pause之间的竞争
    	{
    		alarm(senconds);		 //设置返回点的时候返回0，执行函数体，跳会setjmp的时		pause();				 //longjmp回返回点的时候返回非0值
    	}
    	return(alarm(0));			 //记得返回前将闹钟清除
    }

### 7.信号集 ###

#### 7.1信号集操作函数 ####

需要一个类型来表示信号的集合，以便某些函数运用这种数据结构。但是信号的数目一般比整形的位数大（当然只要可能大，在设计的时候就必须考虑），所以系统定义了sigset\_t类型来表示信号集，以下是处理信号集的一些函数：

#include <signal.h>
    int sigemptyset(sigset_t *set);//初始化信号集，清除所有信号
    int sigfillset(sigset_t *set);//初始化信号集，使其包含所有信号
    int sigaddset(sigset_t *set, int signo);//增加信号signo
    int sigdelset(sigset_t *set, int signo);//清除信号signo
    					//成功返回0，出错返回-1
    int sigismember(const sigset_t *set, int signo);//判定信号signo是否属于信号集set
    					//若真返回1，假返回0，出错返回-1

### 7.2sigprocmask函数 ###

信号屏蔽字就是规定，进程现在对信号屏蔽字内的信号不处理，这些信号是不会递送给进程的。sigprocmask函数可以检测和更改信号屏蔽字：

#include <signal.h>
    int sigprocmask(int how, const sigset_t *restrict set, sigset_t *restrict oset);
    					//成功返回0，出错返回-1
    //若oset非空，那么当前的信号屏蔽字由oset返回，若set非空那么根据类型how指示如何
    //修改当前信号屏蔽字。how的类型可以为SIG_BLOCK这个操作为或，当前信号屏蔽字增//加set所指示的信号；SIG_UNBLOCK，解除当前信号屏蔽字中set指示的信号；//SIG_SETMASK用set赋值代替当前信号屏蔽字

注意：之前的五个函数指示对信号集进行操作，与进程无关。而sigprocmask是与进程有关的。

#### 7.3sigpending函数 ####

sigpending返回信号集合，这些信号是调用进程**当前阻塞**的，通过值参数set返回。

#include <signal.h>
    int sigpending(sigset_t *set);
    		//成功返回0，出错返回-1

程序示例：

#include <signal.h>
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    static void sig_quit(int signo);
    int main(void)
    {
        sigset_t newmask,oldmask,pendmask;
        if(signal(SIGQUIT,sig_quit)==SIG_ERR)
            printf("regiset error");
        sigemptyset(&newmask);
        sigaddset(&newmask,SIGQUIT);
        sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask,&oldmask);
        sleep(5);
        sigpending(&pendmask);
        if(sigismember(&pendmask,SIGQUIT))
            printf("\nSIGQUIT pending\n");
        if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL)<0)
            printf("SIGQUIT unblocked\n");
        sleep(5);
        return 0;
    }
    static void sig_quit(int signo)
    {
        printf("Caught SIGQUIT\n");
        if(signal(SIGQUIT,SIG_DFL)==SIG_ERR)
            printf("Can't reset SIGQUIT\n");
    }

### 8.sigaction函数 ###

sigaction函数的功能是检查或修改与指定信号相关联的处理动作。这个函数已经取代了signal函数。不过现在的signal函数内部是由sigaction函数实现的。

首先了解sigaction结构：

struct sigaction
    {
    	void (*sa_handler)(int);    //信号处理函数
    	sigset_t 	sa_mask;
    	int 	 	sa_flags;
    	void		(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);  
    }

当更改信号动作时，如果sa\_handler包含信号捕捉函数的地址（与常量SIG\_IGN或SIG\_DFL相对），则sa\_mask字段说明了一个值，在调用信号捕捉函数之前，**这一信号集要加到进程的信号屏蔽字中**。仅当从信号处理函数返回时再将该信号屏蔽字恢复。这样在调用信号处理函数时就能阻塞某些信号。**在信号处理程序被调用时，操作系统建立的新信号屏蔽字包括正被递送的信号。**因此保证了在处理一个给定的信号时，如果这种信号再次发生，那么其会被阻塞到对前一个信号的处理结束为止。

sa\_flags字段涉及一些应用，具体参考APUE

sa\_sigaction字段是一个替代的信号处理程序，只有在sa\_flags中使用SA\_SIGINFO标志时才使用。

代码示例：用sigaction函数实现signal

#define void(*)(int) Sigfunc
    Sigfunc*//这个是定义的处理函数的宏
    signal(int signo,Sigfunc *func)
    {
    	struct sigaction act,oact;
    	act.sa_handle=func;
    	sigemptyset(&act.sa_mask);
    	act.sa_flags=0;//先将标志清0
    	if(signo==SIGALRM)
    	{
    #ifdefine	SA_INTERRUPT             
    		act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;
    #endif
    	}else{
    //除非说明SA_RESTART标志，否则用sigaction设置的信号处理程序，使得程序不重启动
    #ifdefine SA_RESTART        //除SIGALARM以外的信号都尝试重启动
    		act.sa_flags |= SA_RESTART;
    #endif
    }
    	if(sigaction(signo,&act,&oact)<0)
    		return SIG_ERR;
    	return oact.sa_handler;
    }

所以在linux内部实现signal函数是用的sigaction，并且默认使用重启动。**然后提供另外一个函数signal\_intr，这个函数默认不使用重启动：**

Sigfunc*//这个是定义的处理函数的宏
    signal_intr(int signo,Sigfunc *func)
    {
    	struct sigaction act,oact;
    	act.sa_handle=func;
    	sigemptyset(&act.sa_mask);
    	act.sa_flags=0;//先将标志清0
    #ifdefine	SA_INTERRUPT             
    		act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;
    #endif
    }
    	if(sigaction(signo,&act,&oact)<0)
    		return SIG_ERR;
    	return oact.sa_handler;
    }

综上一般直接调用signal或者signal\_intr函数设置中断处理函数就可以了。

### 9.sigsetjmp和siglongjmp函数 ###

信号处理程序经常调用longjmp函数以返回到程序的主循环中，而不是从该处理程序返回。但是调用longjmp有一个问题。当捕捉到一个信号时，进入信号捕捉函数，此时当前信号被自动地加到进程的信号屏蔽字中。如果longjmp跳出处理程序，那么对此进程的信号屏蔽字会发生什么？Unix并没有说明longjmp对信号屏蔽字的说明。说以为了确保恢复信号屏蔽字，unix提供了另外两个函数sigsetjmp和siglongjmp这两个函数，确保返回后恢复原来的信号屏蔽字。

#include <setjmp.h> int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savemask); //返回值与setjmp类似，直接调用返回0，若从siglongjmp返回则返回非0值 void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val);

这两个函数与setjmp和longjmp函数唯一的区别就是sigsetjmp增加了一个参数。如果savemask非0，则sigsetjmp在env中保存进程的当前信号屏蔽字，调用longjmp的时候如果带非0savamak的sigsetjmp调用已经保存了env，则siglongjmp从中恢复信号屏蔽字。

### 10.sigsuspend ###

如果希望对一个信号解除阻塞，然后pause以等待以前被组设的信号发生，会如何？看下面一段程序：

sigset_t newmask,oldmask;
    sigemptyset(&newmask);
    sigaddset(&newmask,SIGINT);//信号为SIGINT
    /*阻塞信号SIGINT*/
    sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask,&oldmask);
    
    /*critical region of code*/
    
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask,NULL);
    //自此不再组设SIGINT，并调用pause等待信号
    pause();

对于上面这段程序，解除SIGINT阻塞和pause之间的时间内如果信号发生，那么pause永远也等不到信号。换句话说解除阻止和进程休眠需要时一个原子操作。

sigsuspend函数提供了这个功能：

#include <signal.h>
    int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);
    				//返回值-1，并将errno设置为EINTR

sigsuspend用于在接收到某个信号之前，临时用sigmask替换进程的信号掩码，并暂停进程执行，直到收到信号为止。也就是说，sigsuspend后，进程就挂在那里，等待着开放的信号的唤醒。系统在接收到信号后，**马上就把现在的信号集还原为原来的，然后调用处理函数。**