【并发程序设计】13.信号机制

13.信号机制

概念：

信号机制是Unix、类Unix以及其他POSIX兼容的操作系统中的一种进程间通讯方式，它允许进程在发生特定事件时接收通知。

信号机制是操作系统中的一个重要概念，它提供了一种异步的通知机制，用于在进程之间传递消息。信号可以被看作是一种软中断，它们可以在任何时间被发送给一个进程，以通知该进程发生了某个特定的事件。信号的本质是在软件层次上模拟硬件中断的行为，但它完全由软件控制，因此被称为“软中断”。

信号的处理过程通常涉及以下几个步骤：

  1. 信号的产生：当某个事件发生时，如用户按下Ctrl+C，或者程序访问了非法内存地址，操作系统会产生一个信号。
  2. 信号的传递：产生的信号会被操作系统传递给目标进程。这个过程是异步的，意味着信号可以在任何时间点到达。
  3. 信号的接收：进程通过注册信号处理函数来接收和处理信号。当信号到达时，如果进程已经为该信号注册了处理函数，操作系统会调用该函数。
  4. 信号的处理：在信号处理函数中，进程可以决定如何处理信号。常见的处理方式包括忽略信号、采取默认行为（如终止进程）或执行自定义的操作。
  5. 信号的屏蔽：进程可以选择暂时屏蔽某些信号，这样即使在信号产生时也不会被立即处理。这通常用于避免在某些关键操作中被信号中断。

在Linux系统中，信号机制是通过内核实现的。内核负责管理信号的发送和接收，并通过软中断的方式通知进程。进程可以通过系统调用来设置信号处理函数，从而定义对不同信号的响应方式。

常用信号

信号名代号含义默认操作
SIGHUP1该信号在用户终端关闭时产生，通常是发给和该 终端关联的会话内的所有进程终止
SIGINT2该信号在用户键入INTR字符(Ctrl-C)时产生，内核发送此信号送到当前终端的所有前台进程终止
SIGQUIT3该信号和SIGINT类似，但由QUIT字符(通常是 Ctrl-)来产生终止
SIGILL4该信号在一个进程企图执行一条非法指令时产生终止
SIGSEV5该信号在非法访问内存时产生，如野指针、缓 冲区溢出终止
SIGPIPE13当进程往一个没有读端的管道中写入时产生，代 表“管道断裂”终止
SIGKILL9该信号用来结束进程，并且不能被捕捉和忽略终止
SIGSTOP19该信号用于暂停进程，并且不能被捕捉和忽略暂停进程
SIGTSTP20该信号用于暂停进程，用户可键入SUSP字符( 通常是Ctrl-Z)发出这个信号暂停进程
SIGCONT18该信号让进程进入运行态继续运行
SIGALRM14该信号用于通知进程定时器时间已到终止
SIGUSR1/210/12该信号保留给用户程序使用终止
SIGCHLD17是子进程状态改变发给父进程的。忽略

kill -l 命令查看所有信号

在这里插入图片描述

用到的命令

Kill 命令

  1. 格式：kill [参数] [进程号]
  2. 功能：Linux中的kill命令的功能是向指定进程发送信号以终止该进程的运行
  3. 参数：
    • -[信号名或代号]，例 kill -9 pid 结束进程pid
    • -l（小写L）：列出所有可用的信号名称。如果不加信号编号，使用此参数会显示全部信号。
    • -s：指定要发送的信号的名称或编号。这允许用户选择发送不同的信号到进程。
    • -a：当处理当前进程时，不限制命令名和进程号的对应关系。这在批量脚本中尤其有用。
    • -p：指定kill命令只打印相关进程的进程号，而不发送任何信号。
    • -u：指定用户。这个参数用来限定只向特定用户的进程发送信号

killall 命令

  1. 格式：killall [参数] [进程名]
  2. 功能：结束所有与给定名称匹配的运行中的进程。这可以简化操作，因为用户不需要先查找进程ID（PID），再使用kill命令来终止进程。
  3. 参数：
    • -e | --exact：要求进程名与指定名称完全匹配。
    • -I | --ignore-case：在匹配进程名时忽略大小写。
    • -g | --process-group：结束整个进程组而不仅仅是单个进程。
    • -i | --interactive：在结束进程前询问用户确认，实现交互式操作。
    • -l | --list：列出所有已知的信号名称。
    • -q | --quiet：在进程没有结束时不输出任何信息。
    • -s | --signal：发送指定的信号到进程，默认为SIGTERM。
    • -v | --verbose：报告信号是否成功发送到每个匹配的进程。
    • -w | --wait：等待每个被发送信号的进程终止

发送信号的函数

kill 函数

  1. 原型：

    #include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig)

  2. 功能：指定的进程或进程组发送信号

  3. 参数：

    • pid：指定要接收信号的进程或进程组
      • pid > 0：信号将被发送到进程ID为pid的进程。
      • pid = 0：信号将被发送到与调用kill()的进程属于同一个进程组的所有进程。
      • pid = -1：信号将被广播发送到系统中所有调用进程有权发送信号的进程，除了进程1（init）。
      • pid < -1：信号将被发送到以-pid为进程组标识的所有进程。
    • int sig：指定要发送的信号的编号。不同的信号编号代表不同的信号，例如SIGTERM代表终止信号，SIGKILL代表强制终止信号。

  4. 返回值：

    • 成功，返回0
    • 失败，返回非零数

alarm 函数

  1. 原型：

    #include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

  2. 功能：设置一个定时器，在定时器到期时向调用进程发送SIGALRM信号

  3. 参数：seconds：指定定时器的秒数。如果seconds为0，则取消之前设置的定时器，并返回剩余的时间片。如果seconds非零，则设置一个新的定时器，定时器到期时，将向调用alarm函数的进程发送SIGALRM信号。

  4. 返回值：

    • 上一个定时器的剩余时间（以秒为单位）
    • 如果没有设置过定时器，则返回值为0

  5. 注意：如果在定时器到期前再次调用alarm函数设置了新的定时器，那么原来的定时器会被取消，新的定时器将从当前时间开始计时。

pause 函数

  1. 原型：

    #include <stdlib.h>
int pause(void);

  2. 功能：暂停程序执行，直到接收到一个信号

  3. 参数：无

  4. 返回值：

    • 如果成功，则返回-1
    • 如果发生错误，则返回-1并设置errno为相应的错误代码

ualarm 函数

  1. 原型：

    #include <unistd.h>
int ualarm(unsigned int seconds, int interval);

  2. 功能：设置一个定时器，在定时器到期时向进程发送SIGALRM信号

  3. 参数：

    • seconds：指定定时器的秒数。如果seconds为0，则取消之前设置的定时器。
    • interval：指定间隔时间（以jiffies为单位）。如果interval为0或负数，则表示只执行一次定时器。

  4. 返回值：

    • 成功，返回0
    • 失败，返回-1

  5. 注意：ualarm函数已经被标记为已废弃（deprecated），因为它的行为在不同的系统和平台上可能不一致。在新的代码中，建议使用setitimer函数来代替ualarm函数，以实现更可靠和可移植的定时器功能。

setitimer函数

  1. 原型：

    #include <sys/time.h>
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

  2. 功能：设置一个定时器，该定时器在到期时会向调用进程发送一个SIGALRM信号

  3. 参数：

    • which：指定定时器类型，可以是以下三种之一：
      • ITIMER_REAL：基于真实的时间间隔（Real timer），即按照日历时间来计算。
      • ITIMER_VIRTUAL：基于虚拟的时间间隔（Virtual timer），即按照进程在用户态消耗的CPU时间来计算。
      • ITIMER_PROF：基于进程时间（Profiling timer），即按照进程在用户态和内核态消耗的CPU时间来计算。
    • new_value：指向struct itimerval结构的指针，该结构定义了定时器的间隔时间和总时间。如果这个指针为NULL，则定时器被取消。
    • old_value：指向struct itimerval结构的指针，用于存储之前的定时器设置。如果这个指针为NULL，则不保存之前的定时器设置。

  4. 结构体：

    • struct itimerval {struct timeval it_interval; /* 定时器触发的时间间隔 */struct timeval it_value;    /* 第一次触发定时器的时间 */
};

    • struct timeval {time_t tv_sec; // 秒数suseconds_t tv_usec; // 微秒数
};

  5. 返回值：

    • 成功，返回0
    • 失败，返回-1

  6. 注：可以通过调用gettimeofday(&t_start, NULL)来获取当前时间，并将其存储在timeval结构体变量t_start中。

捕获信号

捕获流程

在这里插入图片描述

signal函数

  1. 原型：

    #include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);` 
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

  2. 功能：设置指定信号的处理函数

  3. 参数：

    • signum：指定要处理的信号的编号。
    • handler：指向信号处理函数的指针。如果设置为SIG_IGN，则忽略该信号；如果设置为SIG_DFL，则采用系统默认处理方式。

  4. 返回值：返回先前为指定信号设置的处理函数指针，或者如果之前没有设置处理函数，则返回SIG_DFL

  5. 注：typedef void (*sighandler_t)(int);

    • (*sighandler_t) 表示定义了一个名为 sighandler_t 的函数指针类型。这个函数指针类型指向的函数返回值为 void，即没有返回值，同时接受一个整型参数 int，通常用于传递信号编号

  6. 示例

    捕捉SIGINT信号，打印"I cath the SIGINT \n"

    程序执行后按ctrl +c 打印“I cath the SIGINT \n”后信号功能复原，再按一次ctrl +c，程序退出

    #include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <linux/posix_types.h>typedef void (*sighandler_t)(int);sighandler_t oldact;void handle(int sig){printf("I cath the SIGINT \n");signal(SIGINT,oldact);//回复信号原来的功能
}int main(){oldact = signal(SIGINT,handle);//设定信号执行的函数，并将原来的处理信号的函数指针赋值给oldactwhile(1){sleep(1);}

sigaction函数

  1. 原型：

    #include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

  2. 功能：

    • sigaction 函数用于设置指定信号 signum 的信号处理函数、信号集和标志。
    • 它允许更细致的控制信号的行为，比 signal 函数提供了更多的选项。

  3. 参数：

    • signum：要处理的信号编号。
    • act：指向 sigaction 结构体的指针，该结构体定义了新的信号处理行为。
    • oldact：指向 sigaction 结构体的指针，用于存储原来的信号处理行为。如果不需要保存旧的行为，可以设置为 NULL。

  4. 返回值：

    • 成功时返回 0
    • 失败时返回 -1

  5. sigaction 结构体：

    struct sigaction {void (*sa_handler)(int);      // 信号处理函数void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 带有额外信息的信号处理函数（POSIX标准）sigset_t sa_mask;             // 信号集，指定在处理信号时阻塞哪些信号int sa_flags;                 // 影响信号处理行为的标志
};
    • sa_flags 标志
      • SA_NOCLDSTOP：如果子进程被终止，父进程不会成为停止状态。
      • SA_ONSTACK：使用用户栈中的额外空间执行信号处理函数。
      • SA_RESTART：在信号处理完成后，重启被中断的系统调用。
      • SA_RESETHAND：在信号处理结束后，将信号处理函数重置为默认行为。
      • SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 成员而不是 sa_handler 作为信号处理函数，以提供额外的信号信息。

  6. 注意：

    • 不同的操作系统可能对信号的支持不同，因此在使用前应检查操作系统的文档。
    • 在多线程环境中，信号处理可能会被任何线程接收，因此信号处理函数应设计为异步安全的。
    • 当一个信号被捕获时，它的默认行为会被禁止，除非在 sa_handler 或 sa_sigaction 中明确指定。

sigemptyset函数

  1. 原型：

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

  2. 功能：初始化或清空信号集

  3. 参数：

    • set：指向要清空的信号集的指针。

  4. 返回值：

    • 成功时返回0
    • 失败时返回-1

示例

使用信号回收子进程

  • 信号 17）SIGCHLD 是子进程状态改变发给父进程的。

  • SIGCHLD的产生条件

    1. 子进程终止时

    2. 子进程接收到SIGSTOP信号停止时

    3. 子进程处在停止态，接受到SIGCONT后唤醒时

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>// 信号处理函数
void handle(int sig){wait(NULL); // 等待子进程结束printf("Get sig =%d\n",sig); // 输出接收到的信号编号
}int main()
{pid_t pid; // 用于存储fork()函数的返回值struct sigaction myact; // 用于存储信号处理结构体myact.sa_handler = handle; // 设置信号处理函数为handlemyact.sa_flags = 0; // 设置信号处理标志为0sigemptyset(&myact.sa_mask); // 清空信号集pid = fork(); // 创建子进程// 父进程部分if(pid>0){//wait(NULL);sigaction(SIGCHLD,&myact,NULL); // 设置SIGCHLD信号的处理函数为handlewhile(1){printf("this is father process\n"); // 输出信息sleep(1); // 休眠1秒}}// 子进程部分else if(pid==0){sleep(5); // 休眠5秒exit(0); // 退出子进程}
}

信号阻塞和信号集

有时候不希望在接到信号时就立即停止当前执行，去处理信号，同时也不希望忽略该信号，而是延时一段时间去调用信号处理函数。这种情况可以通过阻塞信号实现。

概念：信号的”阻塞“是一个开关动作，指的是阻止信号被处理，但不是阻止信号产生。

信号的状态：

  • 信号递达（Delivery ）：实际信号执行的处理过程(3种状态：忽略，执行默认动作，捕获)
  • 信号未决（Pending）：从产生到递达之间的状态

信号集

信号集是一组用于表示信号的集合，它包含了一组信号的状态，通常用来表示这些信号是否已经发生或被处理

信号集操作函数

  1. sigset_t set; 自定义信号集。 是一个32bit 64bit 128bit的数组。
  2. sigemptyset(sigset_t *set); 清空信号集
  3. sigfillset(sigset_t *set); 全部置1
  4. sigaddset(sigset_t *set, int signum); 将第signum个信号添加到集合中
  5. sigdelset(sigset_t *set, int signum); 将第signum个信号从集合中移除
  6. sigismember（const sigset_t *set，int signum); 判断一个信号是否在集合中。

信号屏蔽函数

sigprocmask函数

  1. 原型：

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

  2. 功能：设定对信号集内的信号的处理方式(阻塞或不阻塞)

  3. 参数：

    • how：指定函数的行为，可以是以下值之一：

      • SIG_BLOCK：将参数set中的信号加入到进程的信号屏蔽字中。

      • SIG_UNBLOCK：从进程的信号屏蔽字中移除参数set中的信号。

      • SIG_SETMASK：将参数set设置为进程的信号屏蔽字。

      • SIG_MASK：清空信号集，然后加入原来的信号屏蔽字。

      • SIG_BLOCKSET：类似于SIG_BLOCK，但不会改变原来的信号屏蔽字。

      • SIG_UNBLOCKSET：类似于SIG_UNBLOCK，但不会改变原来的信号屏蔽字。

    • set：指向sigset_t类型的指针，包含了要添加到信号屏蔽字中的信号集合。

    • oldset：指向sigset_t类型的指针，用于存放调用前的信号屏蔽字。

  4. 返回值：

    • 成功时返回0，
    • 失败时返回-1，并设置errno为错误码。

示例

SIGINT信号的处理和屏蔽

在刚开始运行时的5秒内按下ctrl+c终端没有反应，五秒结束后信号屏蔽解除，终端打印"I get sig=%d\n"

#include <signal.h>
#include <stdio.h>   
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>void handle(int sig)  // 定义一个信号处理函数，参数为接收到的信号值
{printf("I get sig=%d\n", sig);  // 打印接收到的信号值
}int main()  // 主函数
{struct sigaction act;  // 定义一个sigaction结构体变量actact.sa_handler = handle;  // 设置信号处理函数为handlesigemptyset(&act.sa_mask);  // 初始化清空信号集act.sa_flags = 0;  // 设置标志位为0sigaction(SIGINT, &act, NULL);  // 将SIGINT信号的处理方式设置为actsigset_t set;  // 定义一个信号集变量setsigemptyset(&set);  // 初始化清空信号集sigaddset(&set, SIGINT);  // 将SIGINT信号添加到信号集中sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 阻塞信号集set中的信号（即禁止接收SIGINT信号）sleep(5);  // 暂停执行5秒sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);  // 解除对信号集中的信号的阻塞（即允许接收SIGINT信号）while (1) {sleep(1);  }
}

信号阻塞函数

pause函数

  1. 原型：

    #include <unistd.h>
int pause(void);

  2. 功能：pause函数使当前进程进入睡眠状态，直到收到一个信号为止。在睡眠期间，进程不会占用CPU资源。

  3. 返回值：

    • 如果成功，则返回-1，并将errno设置为EINTR（表示被中断）。
    • 如果失败，则返回-1，并将errno设置为错误码。
sigsuspend函数

  1. 原型：

    #include <signal.h>
int sigsuspend(const sigset_t *mask);

  2. 功能：

    • sigsuspend函数使当前进程进入睡眠状态，直到收到一个信号为止。在睡眠期间，进程不会占用CPU资源。
    • 与pause函数不同，sigsuspend函数可以指定要阻塞的信号集，即在等待信号时，哪些信号应该被阻塞。

  3. 参数：

    • mask：指向sigset_t类型的指针，表示要阻塞的信号集。如果为NULL，则不阻塞任何信号

  4. 返回值：

    • 如果成功，则返回-1，并将errno设置为EINTR（表示被中断）
    • 如果失败，则返回-1，并将errno设置为错误码

示例

展示两个方法阻塞信号

  • 法一：通过sigprocmask和pause实现
  • 法二：通过sigsuspend实现
#include <signal.h>  // 引入信号处理相关的头文件
#include <stdio.h>   // 引入标准输入输出相关的头文件
#include <stdlib.h>  // 引入标准库函数相关的头文件
#include <unistd.h>  // 引入Unix系统调用相关的头文件void handle(int sig)  // 信号处理函数
{printf("I get sig=%d\n", sig);  // 打印接收到的信号值
}void mytask()  // 任务函数
{printf("My task start\n");  // 打印任务开始信息sleep(3);  // 暂停3秒printf("My task end\n");  // 打印任务结束信息
}int main()  // 主函数
{struct sigaction act;  // 定义一个sigaction结构体变量actact.sa_handler = handle;  // 设置信号处理函数为handleact.sa_flags = 0;  // 设置标志位为0sigemptyset(&act.sa_mask);  // 初始化清空信号集sigaction(SIGINT, &act, NULL);  // 将SIGINT信号的处理方式设置为actsigaction(SIGHUP, &act, NULL);  // 将SIGHUP信号的处理方式设置为actsigset_t set, set2;  // 定义两个信号集变量set和set2sigemptyset(&set2);  // 初始化清空set2信号集sigaddset(&set, SIGHUP);  // 将SIGHUP信号添加到信号集set中sigaddset(&set, SIGINT);  // 将SIGINT信号添加到信号集set中pause();  // 暂停执行，等待信号的到来while (1)  // 无限循环{sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 阻塞信号集中的信号（即禁止接收SIGHUP和SIGINT信号）mytask();  // 执行自定义的任务函数/*法一*///sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,NULL);  // 解除对信号集中的信号的阻塞（即允许接收SIGHUP和SIGINT信号）//pause();//暂停执行，等待信号的到来/*法二*/sigsuspend(&set2);  // 挂起进程，直到收到信号为止}printf("After pause\n");  // 打印"After pause"信息while (1)  // 无限循环{sleep(1);  // 每次循环暂停执行1秒}
}

具体分析：

  • sigprocmask：这个函数用于修改进程的信号屏蔽字，即它可以阻止某些信号的传递。当设置了信号屏蔽字后，指定的信号将不会传递给进程，直到取消屏蔽。这种方法的缺点是，如果在取消屏蔽和调用pause之间有信号发生，那么这个信号可能会丢失。
  • pause：这个函数会使进程进入睡眠状态，直到收到一个信号。如果在使用sigprocmask解除信号屏蔽之后调用pause，在这两个调用之间的时间窗口内发生的信号可能会导致pause永远挂起，因为pause只有在接收到信号后才会返回。
  • sigsuspend：这个函数结合了sigprocmask和pause的功能，它在解除信号屏蔽的同时使进程进入睡眠状态。这是一个原子操作，意味着它保证了在信号解除屏蔽和等待信号之间不会有时间窗口，从而避免了信号丢失的问题。因此，如果需要等待某个信号，建议使用sigsuspend而不是单独使用sigprocmask和pause。

总的来说，sigprocmask主要用于改变信号屏蔽字，pause用于等待任何信号的到来，而sigsuspend则是在等待特定信号时使用的更为安全的方法，因为它可以保证在等待期间不会错过任何信号

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一、基恩士 CtrlN 二、速度设置 计算扫描速度 曝光时间&#xff1a; 1:1 相机点间隔是0.025 &#xff0c;我们要扫描的图像也是1&#xff1a;1的话&#xff0c;速度可以为 采样周期我们设定为3K&#xff0c;假如我们的7000行就够了 速度V0.025&#xff08;线间隔&#xff0…
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基于SSM框架的手机商城项目

基于SSM框架的手机商城项目

后端: 订单管理 客户管理&#xff1a; 商品管理 类目管理 前端&#xff1a; 首页&#xff1a;
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HTML 转义字符（escape characters）及其对应的符号（symbols）

HTML 转义字符（escape characters）及其对应的符号（symbols）

以下是常见的 HTML 转义字符及其对应的符号&#xff0c;这些可以用于在 HTML 或 JSX 中避免解析错误和特殊字符的冲突&#xff1a; 空格 ( ): 或 引号: 单引号&#xff08;&#xff09;&#xff1a;&apos;、&lsquo;、、&rsquo;双引号&#xff08;"&#x…
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字符串 | 字符串匹配之 KMP 算法以及 C++ 代码实现

字符串 | 字符串匹配之 KMP 算法以及 C++ 代码实现

目录 1 为什么使用 KMP&#xff1f;2 什么是 next 数组&#xff1f;2.1 什么是字符串的前后缀&#xff1f;2.2 如何计算 next 数组&#xff1f; 3 KMP 部分的算法4 完整代码 &#x1f608;前言&#xff1a;这篇文章比较长&#xff0c;但我感觉自己是讲明白了的 1 为什么…
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让低代码平台插上AI的翅膀 - 记开源驰骋AI平台升级

让低代码平台插上AI的翅膀 - 记开源驰骋AI平台升级

让低代码系统插上AI的翅膀——驰骋低代码开发平台引领新时代 在当今日新月异的科技世界中&#xff0c;人工智能&#xff08;AI&#xff09;已经成为各个行业不可或缺的一部分。从制造业的自动化生产到金融行业的智能风控&#xff0c;再到医疗领域的精准诊断&#xff0c;AI技术…
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Kafka自定义分区器编写教程

Kafka自定义分区器编写教程

1.创建java类MyPartitioner并实现Partitioner接口 点击灯泡选择实现方法&#xff0c;导入需要实现的抽象方法 2.实现方法 3.自定义分区器的使用 在自定义生产者消息发送时&#xff0c;属性配置上加入自定义分区器 properties.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG,&q…
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基于STM32的轻量级Web服务器设计

基于STM32的轻量级Web服务器设计

文章目录 一、前言1.1 开发背景1.2 实现的功能1.3 硬件模块组成1.4 ENC28J60网卡介绍1.5 UIP协议栈【1】目标与特点【2】核心组件【3】应用与优势 1.6 添加UIP协议栈实现创建WEB服务器步骤1.7 ENC28J60添加UIP协议栈实现创建WEB客户端1.8 ENC28J60移植UIP协议并编写服务器测试示…
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