Linux信號機制之信號的保存與處理技巧分享
前言：在Linux操作系統(tǒng)的廣闊天地中，信號機制無疑是一個充滿挑戰(zhàn)與機遇的領域。信號，作為進程間通信的一種重要方式，不僅承載著豐富的信息，還扮演著進程控制與管理的重要角色。然而，對于許多初學者而言，信號的保存與處理往往是一個難以逾越的障礙
讓我們一同踏上這段充滿探索與發(fā)現的旅程，共同揭開Linux信號機制的神秘面紗吧！
1. 信號的保存
信號其他相關常見概念
- 實際執(zhí)行信號的處理動作稱為信號遞達(Delivery)
- 信號從產生到遞達之間的狀態(tài),稱為信號未決(Pending)
- 進程可以選擇阻塞 (Block )某個信號
- 被阻塞的信號產生時將保持在未決狀態(tài)，直到進程解除對此信號的阻塞，才執(zhí)行遞達的動作
- 注意：阻塞和忽略是不同的，只要信號被阻塞就不會遞達，而忽略是在遞達之后可選的一種處理動作
在內核中的表示
在Linux內核中，信號的保存主要依賴于三種數據結構：pending表、block表和handler表
pending表：
- pending表是一張位圖（bitmap），用于記錄當前進程是否收到了信號，以及收到了哪些信號
- 當進程接收到一個信號時，對應的信號位圖上的比特位就會由0置1，表示該信號處于未決（Pending）狀態(tài)
block表：
- block表也是一張位圖，用于記錄特定信號是否被屏蔽（阻塞）
- 比特位的內容為0表示不屏蔽，為1表示屏蔽。屏蔽的信號在解除屏蔽之前不會被操作系統(tǒng)處理
handler表：
- handler表是一個函數指針數組，用于保存每個信號對應的處理方法
- 這些處理方法可以是默認的，或者忽略的，當然也可以是用戶自定義的。當信號被遞達時，操作系統(tǒng)會根據handler表找到對應的處理方法并執(zhí)行
舉個例子：上圖SIGINT信號產生過，但正在被阻塞，所以暫時不能遞達。雖然它的處理動作是忽略，但在沒有解除阻塞之前不能忽略這個信號，因為進程仍有機會改變處理動作之后再解除阻塞
sigset_t
sigset_t是一個在Unix和Linux系統(tǒng)中用于表示信號集的數據類型。信號集本質上是一個信號的集合，用于指定多個信號，通過使用sigset_t，可以輕松地指定一組信號，并在諸如信號阻塞、信號等待等操作中使用這組信號
sigset_t信號集操作函數：
- sigemptyset()：初始化信號集，將其設置為空集
- sigfillset()：初始化信號集，將其設置為包含所有信號的集合
- sigaddset()：向信號集中添加一個信號
- sigdelset()：從信號集中刪除一個信號
- sigismember()：檢查一個信號是否屬于某個信號集
2. 信號集操作函數
信號集操作函數用于處理與信號集（sigset_t類型）相關的操作。這些函數允許用戶初始化信號集、添加或刪除信號、檢查信號是否存在于信號集中，以及修改進程的信號屏蔽字
sigprocmask()函數：
讀取或更改進程的信號屏蔽字(阻塞信號集)
返回值:若成功則為0,若出錯則為-1
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
如果oset是非空指針,則讀取進程的當前信號屏蔽字通過oset參數傳出。如果set是非空指針,則 更改進程的信號屏蔽字,參數how指示如何更改。如果oset和set都是非空指針,則先將原來的信號 屏蔽字備份到oset里,然后根據set和how參數更改信號屏蔽字。假設當前的信號屏蔽字為mask,下表說明了how參數的可選值
代碼示例：
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); // 設置對2號信號的屏蔽
sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock);
while(1)
{
sleep(1);
}
return 0;
}
那我們到底能不能屏蔽所有普通信號呢？我們來測試一下
修改代碼：
for(int signo = 1; signo <= 31; signo++) sigaddset(&block, signo);
我們發(fā)現9號信號，19號信號是不會被屏蔽的
注意：如果調用sigprocmask解除了對當前若干個未決信號的阻塞,則在sigprocmask返回前,至少將其中一個信號遞達
sigpending()函數：
讀取當前進程的未決信號集,通過set參數傳出
返回值：調用成功則返回0，出錯則返回-1
int sigpending(sigset_t *set);
代碼示例：
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號信號
sigset_t set, oset;
sigemptyset(&set);
sigemptyset(&oset);
sigaddset(&set, 2);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
int cnt = 0;
// 讓進程不斷獲取當前進程的pending
sigset_t pending;
while(1)
{
sigpending(&pending);
PrintPending(pending);
sleep(1);
// 對2好信號進行解除屏蔽
cnt++;
if(cnt == 16)
{
cout << "對2號信號進行解除屏蔽，準備遞達" << endl;
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
}
}
return 0;
}
當我們對信號進行處理的時候，會先將pending位圖中的1 -> 0，然后再去調用信號捕捉方法
3. 信號的處理
進程從內核態(tài)返回到用戶態(tài)的時候（包含身份的變化），進行信號的檢測和信號的處理
- 用戶態(tài)是一種受控的狀態(tài)，能夠訪問的資源是有限的（只能訪問自己的[ 0 - 3GB] ）
- 內核態(tài)是一種操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)，能夠訪問大部分系統(tǒng)資源（可以讓用戶以OS的身份訪問[ 3 - 4GB]）
調用系統(tǒng)調用接口就是在進程地址空間中進行的！
sigaction
sigaction是一個POSIX標準的系統(tǒng)調用，用于更改和檢查信號的處理方式。與傳統(tǒng)的signal函數相比，sigaction提供了更多的控制選項和更可靠的信號處理方式
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
- signum：信號編號，指定要設置的信號
- act：指向sigaction結構的指針，在sigaction的實例中指定了對特定信號的處理。如果為NULL，則進程會以缺省方式對信號處理
- oldact：指向的對象用來保存原來對相應信號的處理，如果為NULL，則不保存
act和oldact指向sigaction結構體
代碼示例：
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;
// 增加對3號信息的屏蔽
sigemptyset(&act.sa_mask);
sigaddset(&act.sa_mask, 3);
// 對2信號進行屏蔽
sigaction(2, &act, &oact);
while(1) sleep(1);
return 0;
}
當某個信號的處理函數被調用時，內核自動將當前信號加入進程的信號屏蔽字，當信號處理函數返回時自動恢復原來的信號屏蔽字，這樣就保證了在處理某個信號時，如果這種信號再次產生，那么 它會被阻塞到當前處理結束為止，如果在調用信號處理函數時，除了當前信號被自動屏蔽之外，還希望自動屏蔽另外一些信號,則用sa_mask字段說明這些需要額外屏蔽的信號，當信號處理函數返回時自動恢復原來的信號屏蔽字
多個信號情況：
代碼示例：
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;
}
由實驗結果來看，我們系統(tǒng)是等所有的信號處理完全了，統(tǒng)一再進行返回的，并且他并不是按照順序來處理信號的
4. 可重入函數
可重入函數是指可以被多個任務（如線程、進程）同時調用，并且能保證每個任務調用該函數時都能得到正確結果的函數。換句話說，這種函數在執(zhí)行的任何時刻都可以被中斷，然后在中斷點恢復執(zhí)行而不會導致錯誤
- main函數調用 insert函數向一個鏈表head中插入節(jié)點node1，插入操作分為兩步，剛做完第一步的 時候，因為硬件中斷使進程切換到內核，再次回用戶態(tài)之前檢查到有信號待處理，于是切換 到sighandler函數，sighandler也調用insert函數向同一個鏈表head中插入節(jié)點node2，插入操作的 兩步都做完之后從sighandler返回內核態(tài)，再次回到用戶態(tài)就從main函數調用的insert函數中繼續(xù) 往下執(zhí)行，先前做第一步之后被打斷，現在繼續(xù)做完第二步。結果是，main函數和sighandler先后 向鏈表中插入兩個節(jié)點，而最后只有一個節(jié)點真正插入鏈表中
- insert函數被不同的控制流程調用,有可能在第一次調用還沒返回時就再次進入該函數，這稱為重入，insert函數訪問一個全局鏈表，有可能因為重入而造成錯亂，像這樣的函數稱為 不可重入函數，反之，如果一個函數只訪問自己的局部變量或參數，則稱為可重入(Reentrant) 函數
不可重入函數（符合以下任一條件）：
- 調用了malloc或free，因為malloc也是用全局鏈表來管理堆的
- 調用了標準I/O庫函數，標準I/O庫的很多實現都以不可重入的方式使用全局數據結構
5. volatile
volatile是一個類型修飾符，用于告訴虛擬機該變量是極有可能多變的，從而免于一些優(yōu)化措施，確保變量的正確性和線程間的通信。它主要用于多線程環(huán)境下的變量共享，確保變量的可見性和有序性
代碼示例：
#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;
}
標準情況下，鍵入 CTRL-C ，2號信號被捕捉，執(zhí)行自定義動作，修改 flag＝1 ， while 條件不滿足，退出循環(huán)，進程退出
優(yōu)化情況下（-O2）(不是數字0)，鍵入 CTRL-C ,2號信號被捕捉，執(zhí)行自定義動作，修改 flag＝1 ，但是 while 條件依舊滿足，進程繼續(xù)運行
所以要想不讓編譯器優(yōu)化，我們需要加上volatile
volatile int flag = 0;
6. 總結
SIGCHLD信號（了解）
SIGCHLD信號在子進程狀態(tài)改變時發(fā)送給其父進程。子進程的狀態(tài)改變包括以下幾種情況：
- 子進程終止，無論是正常終止還是異常終止（如有core dump或無core dump）
- 子進程停止，例如接收到SIGSTOP信號
- 停止的子進程被SIGCONT信號喚醒并繼續(xù)執(zhí)行
代碼示例：
#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;
// 設置SIGCHLD信號的處理函數
act.sa_handler = handle;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
// 創(chuàng)建子進程
pid = fork();
if (pid < 0)
{
perror("fork");
exit(1);
}
else if (pid == 0)
{
// 子進程代碼
printf("Child process (PID: %d) is running\n", getpid());
sleep(5); // 模擬子進程工作
exit(0); // 子進程正常退出
}
else
{
// 父進程代碼
printf("Parent process (PID: %d) is running\n", getpid());
// 父進程可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務，等待SIGCHLD信號來回收子進程
while (1) {
sleep(10); // 模擬父進程工作
printf("Parent process is still running\n");
}
}
return 0;
}
父進程設置了SIGCHLD信號的處理函數handle_sigchld，該函數會在子進程狀態(tài)改變時被調用。在處理函數中，父進程使用waitpid()函數來回收子進程的資源
隨著我們對Linux中信號保存與處理機制的深入探討，我們不難發(fā)現，信號不僅是進程間通信的一種重要手段，更是Linux操作系統(tǒng)內核提供的一種強大而靈活的控制機制。通過信號的捕獲、保存、處理以及恢復，我們可以實現對進程行為的精確控制，從而滿足各種復雜的系統(tǒng)需求
以上就是Linux信號機制之信號的保存與處理技巧分享的詳細內容，更多關于Linux信號機制的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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