信號產(chǎn)生

生活中的信號類比(交通信號燈、警報)，當產(chǎn)生這些信號時，我們會立馬想到對應(yīng)的動作。

在Linux中，信號是事件發(fā)生對進程的通知機制亦稱軟件中斷，由操作系統(tǒng)內(nèi)核、進程本身或者其他進程向目標進程異步事件發(fā)送機制(即收到某種信號，并不會立馬去執(zhí)行)。通知進程發(fā)生某種預(yù)定義的時間，要求進程作出相應(yīng)響應(yīng)。

信號與硬件中斷相似之處在于會打斷程序執(zhí)行流程。

常見信號

硬件異常：

• 如內(nèi)存越界（SIGSEGV）
• 除零錯誤（SIGFPE）
• 由內(nèi)核自動生成

系統(tǒng)調(diào)用：

• kill()：向指定進程發(fā)送信號
• raise()：進程向自身發(fā)送信號
• alarm()：設(shè)置定時器，超時后發(fā)送 SIGALRM

終端輸入：

• Ctrl+C:SIGINT（終止進程）
• Ctrl+Z:SIGTSTP（暫停進程）
• Ctrl+\:

軟件條件：

• 子進程退出時，父進程收到 SIGCHLD
• 定時器到期（如 alarm()）觸發(fā)信號

核心轉(zhuǎn)儲 ：

信號的分類

信號分為兩大類。

(編號1-31)為傳統(tǒng)信號信號，內(nèi)核向進程通知且遞送一次，(編號34-64)為實時信號使信號按序遞送。

信號處理方式

• 默認動作： 部分是終止自己，暫停等
• 忽略動作： 是一種信號處理的方式，只不過動作就是什么都不干
• 自定義動作： 使用signal方法修改信號的處理動作。(即用戶程序員編寫的函數(shù)：將默認動作轉(zhuǎn)化為自定義動作)

改變信號處理方式

signal，sigaction

信號阻塞

概念悉知

• 實際執(zhí)行信號的處理動作稱為信號遞達(Delivery)
• 信號從產(chǎn)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(chǎn)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.
• 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。

信號產(chǎn)生后會稍后遞達給某進程，信號在產(chǎn)生和到達期間會一直處于pending等待狀態(tài)。

信號在內(nèi)核中的表示

每個進程都有一個信號屏蔽字亦稱阻塞信號集，一個 sigset_t 類型的位圖，每一位對應(yīng)一個信號（如 SIGINT、SIGQUIT 等）。用來標記哪些信號當前被阻塞。被阻塞的信號若已產(chǎn)生，會進入未決狀態(tài)，直到阻塞被解除才會觸發(fā)處理。位為1生效，0不生效。

block與pending之間聯(lián)系

pending集是信號產(chǎn)生后的暫存區(qū)，block是控制信號是否能從pending暫存區(qū)遞交給進程的開關(guān)

• block：決定哪些信號會被阻塞，近而將其放入未決信號集
• pending：記錄已產(chǎn)生但未被處理的信號（因被阻塞或正在處理其他信號）
• 通過sigpending()査詢掛起的信號集，通過sigprocmask()控制阻塞狀態(tài)。

其中block位圖用于表示進程是否阻塞。

• pending位圖用于是否有信號寫入（信號是否產(chǎn)生，信號產(chǎn)生時，內(nèi)核在進程控制塊中設(shè)置該信號的pending位圖，直到信號抵達才消失）。
• handler函數(shù)指針數(shù)組用于進程執(zhí)行何種動作（其中存放的是動作函數(shù)指針，每個信號的編號就是其數(shù)組下標）。

關(guān)鍵系統(tǒng)調(diào)用

信號集操作函數(shù)

sigset_t 本質(zhì)上是一個位圖，每一位代表一個信號。當某一位被設(shè)置為 1 時，表示對應(yīng)的信號被包含在信號集中；為 0 則表示不包含。使用者只能調(diào)用以下函數(shù)來操作sigset_t變量,不用關(guān)注內(nèi)部數(shù)據(jù)。

在使用sigset_t類型的變量之前,一定要調(diào)用sigemptyset()函數(shù)初始化一個未包含任何成員的信號集或者sigfillset()函數(shù)則初始化一個信號集，使其包含所有信號（包括所有實時信號）。

#include <signal.h>
// 清空信號集，置0
int sigemptyset(sigset_t *set);  
// 填充所有信號, 置有效狀態(tài)1？  
int sigfillset(sigset_t *set);     

信號集初始化后，可以分別使用 sigaddset()和sigdelset()函數(shù)向一個集合中添加或者移除單個信號。使用sigismember()測試信號是否是信號集set的成員。

#include <signal.h>
// 添加單個信號
int sigaddset(sigset_t *set, int signo); 
 // 刪除單個信號
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
// 判斷信號是否存在
int sigismember(const sigset_t *set, int signo); 

信號掩碼（阻塞信號傳遞）

內(nèi)核會為每個進程維護一個信號掩碼(一組信號)，阻塞其針對該進程的傳遞。如果將被阻塞的信號發(fā)送給某進程，那么對該信號的傳遞將延后，直至從進程信號掩碼中移除該信號，從而解除阻塞為止。阻塞信號集內(nèi)0變1只能由其觸發(fā)。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

參數(shù) ：

how：指定了sigprocmask()函數(shù)想給信號掩碼帶來的變化。

• SIG_BLOCK：set包含了我們希望添加到當前信號屏蔽字的信號(邏輯或)
• SIG_UNBLOCK：set包含了我們希望從當前信號屏蔽字中解除阻塞的信號(與非)
• SIG_SETMASK：設(shè)置當前信號屏蔽字為set所指向的值(直接賦值)

set

• 要操作的信號集，(為NULL則忽略)

oldset

• 保存舊的信號掩碼(可為NULL)

返回值：成功返回 0，失敗返回 -1（設(shè)置 errno）

• 阻塞：信號暫存到未決信號集直到解除阻塞
• 忽略：直接丟棄

操作示例：

void handler(int no){
    cout << "execcute user-defined actions" << " ";
}

int main(){

    //更改2號信號執(zhí)行動作
    signal(2, handler);

    //創(chuàng)建兩個信號集
    sigset_t set, old_set; 

    //清空信號集
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);//將2號信號添加進set集01000...000
    
    //將set信號集中指定信號添加到當前阻塞信號集中，同時將原來的信號集保存到old_set中
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &old_set);//阻塞set中包含的信號集

    cout << "SIG_INT is blocked, ctrl+c has failed" << endl;
    sleep(5);//5秒內(nèi)ctrl+c不會有反應(yīng)

    //使用old_set替換當前所有阻塞信號集
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_set, NULL);//恢復(fù)之前阻塞信號集
    cout << "SIG_INT has been resloved" << endl;
    sleep(5);
    return 0;
}

阻塞期間發(fā)送2號信號？

信號不會立馬處理，而是將該信號加入pending信號集(即pending位圖的SIG_INT位從0-->1)

信號阻塞接觸后？

pending信號集內(nèi)該信號立即處理(處理方式鑒于默認動作，忽略(丟棄) 或 自定義動作)，該位由1-->0。

sigpending獲取未決信號集

如果某進程接受了一個該進程正在阻塞的信號，那么會將該信號填加到進程的等待信號集中。當之后解除了對該信號的鎖定時，會隨之將信號傳遞給此進程。

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);

系統(tǒng)調(diào)用返回后，用戶空間的set變量包含了當前的未決信號集，可以使用sigismember()檢查特定信號是否在未決信號集中。 

作用： 返回處于等待狀態(tài)的信號集，并將其置于 set指向的sigset_t 結(jié)構(gòu)中。

signal() - 設(shè)置信號處理

#include <signal.h>

void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

返回函數(shù)指針的函數(shù)：

代碼示例：

void handler(int signo){
    cout << "execcute user-defined actions" << " ";
}
...
    //更改2號信號執(zhí)行動作
    signal(2, handler);

聲明該函數(shù)類型是一個函數(shù)指針類型，signal是函數(shù)名(如：int (*p)(int,int),p是函數(shù)名，有兩個int類型參數(shù)，返回值是一個int類型)。signal返回的是一個函數(shù)指針，該函數(shù)指向的函數(shù)參數(shù)是一個int類型，返回值是void。所以外層是指明這是一個函數(shù)指針類型。里面才是使用的函數(shù)本體。

• signal 是一個函數(shù)
• 它接受一個整數(shù)和一個函數(shù)指針作為參數(shù)
• 它返回一個與第二個參數(shù)類型相同的函數(shù)指針

返回函數(shù)指針的數(shù)組： 對？

sigaction() - 設(shè)置信號處理

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

signum : 目標信號

act 新的信號處理方式

• sa_handler：信號處理函數(shù)指針（或 SIG_IGN、SIG_DFL）。
• sa_mask：處理該信號時額外阻塞的信號集。
• sa_flags：控制選項（如 SA_RESTART、SA_NODEFER）
• NULL

oldact

• 保存舊的處理配置(可為NULL)

返回值：成功返回 0，失敗返回 -1（設(shè)置 errno）

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);          // 簡單處理函數(shù)
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 高級處理函數(shù)
    sigset_t sa_mask;                     // 處理期間屏蔽的信號集
    int      sa_flags;                    // 控制標志
    void     (*sa_restorer)(void);        // 內(nèi)部使用（已廢棄）
};

現(xiàn)在我們使用sigprocmask函數(shù)和sigpending函數(shù)完成一個函數(shù)。思路是

1. 對2號信號寫入信號集
2. 將該信號集使用sigprocmask函數(shù)將2號信號block住
3. 我們鍵盤輸入ctrl+c，產(chǎn)生2號信號，發(fā)送至該進程。
4. 使用sigpending函數(shù)輸出pending位圖,因為我們將2號進程block住了，該信號并不能抵達。我們再向其發(fā)送2號信號，信號被block住了并不會影響信號的寫入。因此我們再發(fā)送2號進程之前pending位圖應(yīng)該全為0，發(fā)送2號進程之后會看見pending位圖發(fā)送由0至1的變化。

執(zhí)行流程：

1. 前 5 秒內(nèi)，SIGINT（Ctrl+C）被阻塞，信號進入未決狀態(tài)但不觸發(fā)處理。
2. 5 秒后解除阻塞，若之前有未決的 SIGINT，會立即觸發(fā) handle 函數(shù)。

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
static void handler(int signo){
    cout << signo << " 號信號確實遞達了" << endl;
    //最終不退出進程
}
 void DisplayPending(const sigset_t pending){
    // 打印 pending 表
    int i = 1;
    while (i < 32)
    {
        if (sigismember(&pending, i))  cout << "1";
        else cout << "0";
        i++;
    } cout << endl;
}
int main(){
    // 更改 2 號信號的執(zhí)行動作
    signal(2, handler);
    // 創(chuàng)建信號集
    sigset_t set, oset;
    // 信號集清空  0
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    
    sigaddset(&set, 2);	//將2號信號寫入set
    // 設(shè)置當前進程的屏蔽信號集
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);//0給進程
    // 死循環(huán)
    int n = 0;
    while (true){
        if (n == 5){
            // 采用 SIG_SETMASK 的方式，覆蓋進程的 block 表
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL); // 不接收進程的 block 表
        }
        // 獲取進程的 未決信號集
        sigset_t pending;
        sigemptyset(&pending);
        int ret = sigpending(&pending);
        assert(ret == 0);
        (void)ret; // 避免 release 模式中出錯
        DisplayPending(pending);
        n++;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

信號處理

進程地址空間

為了進程可以通過訪問虛擬地址來間接訪問物理資源，我們需要建立虛擬地址空間與物理內(nèi)存的映射關(guān)系。用戶區(qū)和內(nèi)核區(qū)都需要通過內(nèi)核級頁表或者用戶級頁表進行映射使用。

系統(tǒng)調(diào)用：

系統(tǒng)調(diào)用是受控的內(nèi)核入口，借助于這一機制，進程可以請求內(nèi)核以自己的名義去執(zhí)行某些動作。以應(yīng)用程序編程接口（API）的形式，內(nèi)核提供有一系列服務(wù)供程序訪問。

信號處理過程

用戶態(tài)的時候執(zhí)行用戶代碼，在中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用的時候切換到內(nèi)核態(tài)，査看進程的三張表。(信號捕捉過程)當需要執(zhí)行自定義動作的時候，切回用戶態(tài)執(zhí)行自定義動作，自定動作完成之后，再切到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行sys_sigretur()函數(shù)，最后再切回用戶態(tài)中用戶代碼的下一行繼續(xù)執(zhí)行。

當執(zhí)行默認動作或者忽略動作的時候，直接可以在內(nèi)核中完成，完成之后切回用戶態(tài)中的用戶代碼的下一行，繼續(xù)執(zhí)行。

• sigaction()
• volatile關(guān)鍵字
• SIGCHLD

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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