[linux]信号处理：信号编码、基本API、自定义函数和集合操作的详解

一、信号的概述 

1、定义 

        信号是 Linux 进程间通信的最古老的方式。信号是软件中断，它是在软件层次 上对中断机制的一种模拟，是一种异步（不等待）通信的方式 。信号可以导致一个正在运行的进程被 另一个正在运行的异步进程中断，转而处理某一个突发事件。

        信号的特点 简单 不能携带大量信息 满足某个特设条件才发送。 

      （进程间通信方式：无名管道、无名管道、消息队列、共享内存）

 一个完整的信号周期包括三个部分：

  1. 信号的产生，
  2. 信号在进程中的注册， 信号在进程中的注销，
  3. 执行信号处理函数

        注意:这里信号的产生，注册，注销是信号的内部机制，而不是信号的函数实现。

2、信号的编号

         其中1-31号信号称之为常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为实时信号，驱 动编程与硬件相关。名字上区别不大。而前32个名字各不相同

        每个信号必备4要素，分别是：编号 、名称 、事件 、默认处理动作。可通过man 7 signal查看帮助文档。

Action默认动作

  • Term:终止进程
  • Ign:忽略信号(默认即时对该种信号忽略操作]
  • Core:终止进程，生成Core 文件。(查验死亡原因，用于gdb调试)
  • Stop:停止（暂停）进程
  • Cont:继续运行进程注意

3、 发起信号的方式

  1. 当用户按某些终端键时，将产生信号，如“ctrl+c”、“ctrl+z”
  2. 硬件异常将产生信号。 除数为 0，无效的内存访问等
  3. 软件异常将产生信号（如定时器）
  4. 调用系统函数(如：kill、raise、abort)将发送信号
  5. 运行 kill /killall命令将发送信号

二、未决信号集、信号阻塞集 

        未决信号集：信号发生 但未被处理的信号集合。（放在PCB中）

        信号阻塞集：加入信号阻塞集的信号 不被处理。（放在PCB中）

三、 信号的API

1、kill函数 

#include<sys/types.h>

#include<signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

功能：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

参数：

        pid : 取值有 4 种情况 :

                pid > 0: 将信号传送给进程 ID 为pid的进程。

                pid = 0 : 将信号传送给当前进程所在进程组中的所有进程。

                pid = -1 : 将信号传送给系统内所有的进程。

                pid < -1 : 将信号传给指定进程组的所有进程。这个进程组号等于 pid 的绝对值。

        sig : 信号的编号，这里可以填数字编号，也可以填信号的宏定义，可以通过命令 kill - l("l" 为字母)进行相应查看。不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。

返回值： 成功：0 失败：-1

        super用户(root)可以发送信号给任意用户，普通用户是不能向系统用户发送信号的。同样,普通用户也不能向其他普通用户发送信号，终止其进程。只能向自己创建的进程发送信号。

2、 raise函数 

        #include<signal.h>

        int raise(int sig);  

 功能：给当前进程发送指定信号(自己给自己发)，等价于 kill(getpid(), sig)

参数： sig：信号编号

返回值： 成功：0 失败：非0值

3、abort函数

        #include<stdlib.h>

        void abort(void);  

功能：给自己发送异常终止信号 6 SIGABRT，并产生core文件，等价于kill(getpid(), SIGABRT); 参数：无 返回值：无 

 4、alarm函数(闹钟)

        #include<unistd.h>

        unsigned int alarm(unsigned int seconds);  

         功能： 设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。每个进程都有且只有唯一的一个定时器。 取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。

        参数： seconds：指定的时间，以秒为单位

        返回值： 返回0或剩余的秒数 定时，与进程状态无关(自然定时法)！就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸……无论 进程处于何种状态，alarm都计时

 5、setitimer函数（定时器）

#include<sys/time.h>

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);  

功能： 设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us，可以实现周期定时。 

参数：

which：指定定时方式

  1.  自然定时：ITIMER_REAL → 14）SIGALRM计算自然时间
  2. 虚拟空间计时(用户空间)：ITIMER_VIRTUAL → 26）SIGVTALRM 只计算进程占用cpu的时间
  3. 运行时计时(用户 + 内核)：ITIMER_PROF → 27）SIGPROF计算占用cpu及执行系统调用的时间

new_value：struct itimerval, 负责设定timeout时间

struct itimerval {

        struct timerval it_value; // 闹钟触发时间,设定第一次执行function所延迟的秒数

        struct timerval it_interval; // 闹钟触发周期,设定以后每几秒执行function

};

struct timerval {

        long tv_sec; // 秒

        long tv_usec; // 微秒

} ;

old_value： 存放旧的timeout值，一般指定为NULL 

返回值： 成功：0 失败：-1 

四、 给信号 注册 自定义函数

        信号处理方式：执行默认动作，终止进程、忽略信号、执行自定义动作。 

        注意：不能更改信号的处理方式：SIGKILL 和 SIGSTOP，因为它们向用户提供了一种使 进程终止的可靠方法

        捕捉信号并且信号信号的处理方式有两个函数,signal和 sigaction

 1、signal函数 

#include<signal.h>

typedef void(*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);  

功能： 注册信号处理函数（不可用于 SIGKILL、SIGSTOP 信号），即确定收到信号后处理函数 的入口地址。此函数不会阻塞。

参数：

        signum：信号的编号，这里可以填数字编号，也可以填信号的宏定义，可以通过命令 kill - l("l" 为字母)进行相应查看。

        handler : 取值有 3 种情况：

                SIG_IGN：忽略该信号

                SIG_DFL：执行系统默认动作

                信号处理函数名：自定义信号处理函数，如：func

                        回调函数的定义如下：

                        void func(int signo)

                         {

                                // signo 为触发的信号，为 signal() 第一个参数的值

                        }

        返回值： 成功：第一次返回 NULL，下一次返回此信号上一次注册的信号处理函数的地址。如果需要使用此返回值，必须在前面先声明此函数指针的类型。 失败：返回 SIG_ERR

         该函数由ANSI定义，由于历史原困在不同版本的Unix和不同版本的 Linux中可能有不同的行为。因此应该尽量避免使用它，取而代之使用sigaction函数。

2、 sigaction函数

#include<signal.h>

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

 功能： 检查或修改指定信号的设置（或同时执行这两种操作）。

参数：

        signum：要操作的信号。

        act： 要设置的对信号的新处理方式（传入参数）。

        oldact：对原来信号的处理方式（传出参数）。

        如果 act 指针非空，则要改变指定信号的处理方式（设置），如果 oldact 指针非空，则 系统将此前指定信号的处理方式存入 oldact。

返回值： 成功：0 失败：-1

        struct sigaction结构体：

        struct sigaction {

                void(*sa_handler)(int); //旧的信号处理函数指针

                void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //新的信号处理函数指针

                sigset_t sa_mask; //信号阻塞集,延时一些信号处理。

                int sa_flags; //信号处理的方式

                void(*sa_restorer)(void); //已弃用

                };

        1) sa_handler、sa_sigaction：信号处理函数指针，和 signal() 里的函数指针用法一样，应 根据情况给sa_sigaction、sa_handler 两者之一赋值，其取值如下：

                a) SIGIGN：忽略该信号

                b) SIGDFL：执行系统默认动作

                c) 处理函数名：自定义信号处理函数

        信号处理函数: void(*sa_sigaction)(int signum, siginfo_t *info, void *context);

        参数说明：

                signum：信号的编号。

                info：记录信号发送进程信息的结构体。

                context：可以赋给指向 ucontext_t 类型的一个对象的指针，以引用在传递信号时``被中断的接收进程或线程的上下文.

        2) sa_mask：信号阻塞集，在信号处理函数执行过程中，临时屏蔽阻塞指定的信号。

        3) sa_flags：用于指定信号处理的行为，通常设置为0，表使用默认属性。它可以是以下值 的“按位或”组合：

                Ø SA_RESTART：使被信号打断的系统调用自动重新发起（已经废弃）

                Ø SA_NOCLDSTOP：使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到 SIGCHLD 信 号。

                Ø SA_NOCLDWAIT：使父进程在它的子进程退出时不会收到 SIGCHLD 信号，这时子 进程如果退出也不会成为僵尸进程。

                Ø SA_NODEFER：让信号的屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信 号。

                Ø SA_RESETHAND：信号处理之后重新设置为默认的处理方式。

                Ø SA_SIGINFO：使用 sasigaction 成员而不是 sahandler 作为信号处理函数。

五、集合操作 

 1、信号集合的概述

        在PCB中有两个非常重要的信号集。一个称之为“阻塞信号集”，另一个称之为“未决信号集”。 这两个信号集都是内核使用位图机制来实现的。但操作系统不允许我们直接对其进行位操作。而需自定义另外一个集合，借助信号集操作函数来对PCB中的这两个信号集进行修改 。

 2、自定义信号集函数

#include<signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set); //将set集合置空

int sigfillset(sigset_t *set)； //将所有信号加入set集合

int sigaddset(sigset_t *set, int signo); //将signo信号加入到set集合

int sigdelset(sigset_t *set, int signo); //从set集合中移除signo信号

int sigismember(const sigset_t *set, int signo); //判断信号是否存在  

sigset_t（数据类型） set（set即一个自定义信号集） 

        信号阻塞集也称信号屏蔽集、信号掩码。每个进程都有一个阻塞集，创建子进程时子进程将继承父进程的阻塞集。 所谓阻塞并不是禁止传送信号, 而是暂缓信号的传送。 

3、sigprocmask 阻塞集操作函数

#include<signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);  

功能： 检查或修改信号阻塞集，根据 how 指定的方法对进程的阻塞集合进行修改，新的信号阻塞集由 set 指定，而原先的信号阻塞集合由 oldset 保存。

参数：

how : 信号阻塞集合的修改方法，有 3 种情况：

  • SIG_BLOCK：向信号阻塞集合中添加 set 信号集，新的信号掩码是set和旧信号掩码 的并集。 
  • SIG_UNBLOCK：从信号阻塞集合中删除 set 信号集，从当前信号掩码中去除 set 中 的信号。相当于 mask = mask & ~ set。
  • SIG_SETMASK：将信号阻塞集合设为 set 信号集，相当于原来信号阻塞集的内容清空，然后按照 set 中的信号重新设置信号阻塞集。相当于mask = set。

set : 要操作的信号集地址。 若 set 为 NULL，则不改变信号阻塞集合，函数只把当前信号阻塞集合保存到 oldset 中。

oldset : 保存原先信号阻塞集地址

返回值： 成功：0， 失败：-1，失败时错误代码只可能是 EINVAL，表示参数 how 不合法

4、sigpending未决信号集函数

#include<signal.h>

int sigpending(sigset_t *set);

功能：读取当前进程的未决信号集

参数： set：未决信号集

返回值： 成功：0 失败：-1 

六、进程间通信方式（IPC）

进程间通信方式有7种通信方式：

同一主机的进程通信：无名管道、有名管道（命令管道）、消息队列、mmap、共享内 存、信号 不同主机的进程通信：socket(网络通信) 

  1. 无名管道：血缘关系、半双工、一对一、先进先出、无格式、数据读取后就丢弃（内存 中）
  2. 有名管道：有/无血缘、半双工、一对一、先进先出、无格式、数据读取后就丢弃（内存抽象成文件名）
  3. 消息队列：有/无血缘、多对多、按消息类型收取、同类型先进先出、有格式、数据读取后就丢弃 （内存中）
  4. mmap(存储/磁盘映射):多对多、无格式、数据读取后存在、写入覆盖以前数据（磁盘中）
  5. 共享内存：多对多、无格式、数据读取后存在、写入覆盖以前数据（物理内存）
  6. 信号：简单 不能携带大量信息 满足某个特设条件才发送
  7. socket:不同主机间的进程通信（网络通信 

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