Linux | 探索 Linux 信号机制：信号的产生和自定义捕捉

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信号是 Linux 操作系统中非常重要的进程控制机制，用来异步通知进程发生某种事件。理解信号的产生、阻塞、递达、捕捉等概念，可以帮助开发者更好地编写健壮的应用程序，避免由于未处理的信号导致程序异常退出。本文将带你从基础概念开始，深入探讨信号处理的常见方式。

1. 信号的基本概念

在 Linux 系统中，信号是一种软中断机制，主要用于进程之间的异步通信。信号的产生和递达并不会按照进程的执行顺序发生，而是通过操作系统将某种事件（如用户输入、硬件异常等）通知进程。每个信号都有唯一的编号和宏定义名称。例如，SIGINT（编号2）是一个常见的信号，通常由按下 Ctrl+C 产生。

信号的产生的四种方式：

  1. 终端输入产生信号：例如，当用户在终端中按下 Ctrl+C 时，系统会发送 SIGINT 信号给当前前台进程，进而终止进程。
  2. 系统调用产生信号：开发者可以通过调用 kill 函数向指定进程发送信号，例如 kill -SIGKILL <PID>。
  3. 软件条件产生信号：某些软件事件会自动触发信号。例如，SIGPIPE 信号在管道破裂时触发。
  4. 硬件异常产生信号：例如，执行非法内存访问会触发 SIGSEGV 信号。

信号处理一般有三种方式：

  • 忽略信号：进程忽略该信号。
  • 执行默认动作：进程按照信号的默认处理方式处理，例如 SIGKILL 会导致进程直接退出。
  • 捕捉信号：进程通过自定义函数捕捉信号并进行处理。

2. 信号的自定义捕捉

Linux 提供了 signal 和 sigaction 系统调用，允许开发者自定义信号的处理函数，即捕捉信号。

a. 自定义捕捉终端产生的 SIGINT 2号信号：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>void handler(int sig) {printf("Received signal: %d\n", sig);
}int main() {signal(SIGINT, handler); // 捕捉SIGINT信号while (1) {printf("Waiting for signal...\n");sleep(1);}return 0;
}
程序解释

handler 函数捕捉到 SIGINT 信号并打印信号编号。当用户在终端中按下 Ctrl+C，进程不会立即终止，而是调用自定义的 handler 函数。
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b. 自定义捕捉由软件条件产生的 SIGALRM 信号

SIGALRM 信号通常由 alarm() 函数产生，用于在设定的时间后通知进程。

alarm() 函数与 SIGALRM 信号
alarm() 函数的作用是设置一个闹钟，指定经过若干秒后系统向进程发送 SIGALRM 信号。此信号的默认处理行为是终止进程，但我们可以通过自定义信号处理函数来捕捉并处理 SIGALRM 信号。
alarm() 函数的定义如下：

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
  • 参数 seconds：指定在多少秒后发送 SIGALRM 信号。如果参数为 0，则取消先前设置的闹钟。
  • 返回值：返回先前设置的闹钟还剩余的时间。如果没有设置过闹钟，返回值为 0。例如，设定闹钟为 30 秒，闹钟执行了 20 秒后取消并重设为 15 秒，之前的闹钟还剩下 10 秒，这个时间会作为 alarm() 函数的返回值。
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 自定义的SIGALRM信号处理函数
void handle_alarm(int sig) {printf("Alarm signal received: %d. Time's up!\n", sig);
}int main() {// 注册SIGALRM信号的处理函数signal(SIGALRM, handle_alarm);// 设置闹钟为1秒alarm(1);// 计数器，在闹钟响起之前一直计数int count = 0;while (1) {printf("Counting: %d\n", count++);sleep(1); // 每秒计数一次}return 0;
}
程序解释

  1. 信号处理函数 handle_alarm：
    当 SIGALRM 信号产生时，操作系统会调用此函数。此函数接收信号编号作为参数，并打印出提示信息。

  2. 设置闹钟：
    程序通过调用 alarm(1) 设置了一个 1 秒的闹钟。即 1 秒后，系统会发送 SIGALRM 信号，触发信号处理函数 handle_alarm。

  3. 计数器：
    程序进入一个无限循环，每秒钟打印一次计数。在 1 秒内，计数器会输出几次，直到接收到 SIGALRM 信号并终止循环。

运行该程序时，输出：

Counting: 0
Alarm signal received: 14. Time's up!

程序开始计数，并且在 1 秒后接收到 SIGALRM 信号，调用信号处理函数，输出“Alarm signal received”信息，随后程序被信号终止。

拓展

  1. 重新设置闹钟：如果在 SIGALRM 之前再次调用 alarm()，会取消之前的闹钟并重新设置。例如，假如 alarm(5) 在 alarm(1) 之后被调用，系统将在 5 秒而非 1 秒后发送 SIGALRM 信号。

  2. 取消闹钟：alarm(0) 可以取消先前设置的闹钟，程序将不会再收到 SIGALRM 信号。

3. 信号阻塞与未决信号

信号的三种状态：阻塞、未决和递达

阻塞（Block）：

阻塞是指进程可以暂时不处理某些信号。当信号被阻塞时，即使信号产生了，也不会立即处理。信号会保持在阻塞状态，直到解除阻塞。

未决（Pending）：

未决是指信号已经产生，但由于被阻塞，无法递达。信号会处于未决状态，等待解除阻塞。当信号解除阻塞后，未决信号会递达给进程。

递达（Delivery）：

递达是指信号从产生到被进程处理的过程。当信号未被阻塞或解除阻塞后，信号会递达给进程，触发默认处理动作或自定义的信号处理函数。
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进程可以选择阻塞（Block）某个信号。被阻塞的信号在产生时会处于未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞后，才会执行相关的处理动作。
注意：阻塞和忽略是不同的概念。阻塞信号意味着信号不会被递达，直到解除阻塞。而忽略则是在信号递达后选择不进行处理的一种方式。

C语言中的信号相关函数

sigset_t 是一个用于表示信号集的数据类型，每个信号用一个位来表示它的状态。这个类型可以用来存储和操作进程的信号屏蔽字（阻塞信号集），以及未决信号集。

  1. sigemptyset(sigset_t *set): 初始化一个信号集，将其中的所有信号位清零，即该信号集不包含任何信号。

  2. sigfillset(sigset_t *set): 初始化一个信号集，将其中的所有信号位设置为1，即该信号集包含所有信号。

  3. sigaddset(sigset_t *set, int signo): 在信号集中添加一个信号，使其对应的位被设置为1。signo 是要添加的信号的编号。

  4. sigdelset(sigset_t *set, int signo): 从信号集中删除一个信号，使其对应的位被设置为0。signo 是要删除的信号的编号。

  5. sigismember(const sigset_t *set, int signo): 检查信号集中的某个信号是否被设置为1。返回值为非零表示信号被设置（即有效），为0表示信号未被设置（即无效）。

  6. sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset): 读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）。

  7. sigpending(sigset_t *set): 读取当前进程的未决信号集。

使用 sigprocmask添加block阻塞集

在某些场景下，进程可能不希望立即处理某个信号，这时可以选择阻塞该信号。当信号被阻塞时，信号会进入未决状态，直到解除阻塞后才会递达。可以使用 sigprocmask 函数来设置信号的阻塞状态。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>int main() {sigset_t set;sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGINT);  // 阻塞SIGINT信号sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);printf("SIGINT is blocked, press Ctrl+C...\n");sleep(10); // 期间按下Ctrl+C不会终止程序return 0;
}

SIGINT 信号被阻塞，按下 Ctrl+C 时，进程不会立刻退出，而是被阻塞，不能被递达，需要等到信号被解除阻塞后才能处理信号。

如果将所有信号都使用sigprocmask函数添加到block阻塞位图当中，是不是就能产生一个无法被退出的无敌进程？
答：SIGKILL (9号信号)和 SIGSTOP(19号信号)是特殊的，无法被阻塞、忽略或捕获。我们依然可以通过这些信号杀死进程，所以这样操作并不能使进程成为“无敌”的进程。(操作系统设计者早就想到了~~)

4. 常见信号的递达过程和处理方式

信号的递达过程

  1. 信号抵达的检查: 当系统从内核态返回用户态时，会首先检查当前进程的未决信号（pending signals）。这时，系统处于内核态，有权限检查进程的信号状态。

  2. 处理未决信号:

    • 如果发现有未决信号，并且该信号没有被阻塞，系统会决定如何处理这些信号。
    • 对于默认处理动作或忽略的信号，系统会执行默认动作或忽略信号，然后清除对应的未决标志位。
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  3. 指定信号动作:

    • 如果信号的处理动作是用户自定义的，系统会返回用户态，执行用户定义的处理函数。执行完自定义处理函数后，用户态的处理程序会通过 sigreturn 系统调用返回内核态，清除对应的未决标志位。如果没有新的信号要处理，系统会直接返回用户态，从主控制流程中上次被中断的地方继续执行。
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  4. 为什么执行自定义函数是需要由内核态切换到内核态：

    • 尽管内核态具有高权限，但操作系统设计中不允许直接在内核态执行用户代码。原因是用户代码可能包含非法操作，如清空数据库等，这在用户态时权限不足，但在内核态时可能会造成严重后果。
    • 操作系统必须确保用户代码的合法性，以防止安全风险。因此，操作系统会严格控制用户代码的执行，确保系统安全和稳定。
信号的处理方式
信号编号宏定义名称默认动作说明
1SIGHUP终止进程终端挂起时发送此信号
2SIGINT终止进程用户按下 Ctrl+C
9SIGKILL终止进程（不可捕捉）直接终止进程
11SIGSEGV终止进程并生成 core段错误，非法内存访问
15SIGTERM终止进程请求进程终止

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