织梦云端：网络信号原理的艺术解码

hello ！大家好呀！ 欢迎大家来到我的Linux高性能服务器编程系列之《织梦云端：网络信号原理的艺术解码》，在这篇文章中，你将会学习到网络信号原理以及应用，并且我会给出源码进行剖析，以及手绘UML图来帮助大家来理解，希望能让大家更能了解网络编程技术！！！

希望这篇文章能对你有所帮助9fe07955741149f3aabeb4f503cab15a.png，大家要是觉得我写的不错的话，那就点点免费的小爱心吧！1a2b6b564fe64bee9090c1ca15a449e3.png（注：这章对于高性能服务器的架构非常重要哟！！！）

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目录

一. 什么是信号？

二. 信号的发送以及处理方式 

三.网络编程相关信号

四.统一信号事件源

一. 什么是信号？

在Linux网络编程中，“信号”（Signal）是操作系统用来通知进程某个事件已经发生的一种机制。信号是一种软件中断，它可以在任何时候发送给一个进程，使得该进程可以中断当前的执行，处理该信号，然后再回到原来的执行状态。

Linux系统中定义了许多信号，每个信号都有其特定的用途。例如：

  • SIGINT：通常在用户按下Ctrl+C时发出，用于中断程序的执行。
  • SIGCHLD：当一个子进程终止时，父进程会收到这个信号。
  • SIGALRM：定时器超时时发送。
  • SIGPIPE：在尝试写入一个没有读取器的管道或socket时发送。

在网络编程中，信号经常用于处理各种异步事件，比如：

  1. 处理子进程状态变化：当一个子进程改变其状态（比如终止或暂停）时，父进程会接收到SIGCHLD信号。
  2. 处理网络IO：在一些网络编程模型中，如使用select或poll，当IO准备好时，可以通过信号来通知应用程序。
  3. 定时器：使用setitimer或alarm函数设置的定时器超时时，可以通过SIGALRM信号通知进程。

处理信号的方法主要有两种：

  • 信号处理函数：可以为特定的信号设置一个处理函数（handler），当该信号发生时，系统将调用这个函数。
  • 信号掩码：可以阻塞某些信号，使得它们在处理期间不被传递给进程。

信号是Linux系统编程中的一个重要部分，特别是在网络编程领域，因为它们提供了一种机制来响应异步事件，这对于构建高效和响应迅速的网络应用程序至关重要。

二. 信号的发送以及处理方式 

在Linux中，信号的发送和处理可以通过以下函数来完成：

  1. signal()：用于设置一个信号的处理函数。
  2. raise()：用于向当前进程发送一个信号。
  3. kill()：用于向指定进程发送一个信号。
  4. sigaction()：提供了一种更为复杂的方式来设置信号的处理函数，包括信号掩码。
  5. sigprocmask()：用于设置信号掩码，从而阻塞或解阻塞特定的信号。
  6. sigpending()：用于检查被阻塞的信号。
  7. sigsuspend()：用于在阻塞信号集的基础上临时替换信号掩码，并暂停进程直到捕获到一个信号。

  1. signal()

    • 功能：signal函数用于设置一个信号的处理函数。当指定信号被传递给进程时，系统将调用这个处理函数。
    • 原型：void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);
    • 参数：
      • sig：要处理的信号编号。
      • func：信号处理函数，可以是SIG_IGN（忽略信号）、SIG_DFL（默认处理）或者一个自定义的函数指针。
    • 返回值：返回先前的信号处理函数的指针。

  2. raise()

    • 功能：raise函数用于向当前进程发送一个信号。
    • 原型：int raise(int sig);
    • 参数：sig是要发送的信号的编号。
    • 返回值：成功时返回0，失败时返回非0值。

  3. kill()

    • 功能：kill函数用于向指定进程发送一个信号。
    • 原型：int kill(pid_t pid, int sig);
    • 参数：
      • pid：目标进程的进程ID。如果pid大于0，信号将发送给进程ID为pid的进程；如果pid等于0，信号将发送给与当前进程同组的所有进程；如果pid小于-1，信号将发送给进程组ID为-pid的所有进程。
      • sig：要发送的信号的编号。
    • 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  4. sigaction()

    • 功能：sigaction函数提供了一种更为复杂的方式来设置信号的处理函数，包括信号掩码和信号处理时的行为。
    • 原型：int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
    • 参数：
      • sig：要处理的信号编号。
      • act：指向sigaction结构的指针，用于指定新的信号处理动作。
      • oldact：指向sigaction结构的指针，用于保存先前的信号处理动作。
    • 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  5. sigprocmask()

    • 功能：sigprocmask函数用于设置信号掩码，从而阻塞或解阻塞特定的信号。
    • 原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
    • 参数：
      • how：如何修改信号掩码。可以是SIG_BLOCK（添加到当前掩码）、SIG_UNBLOCK（从当前掩码中移除）或SIG_SETMASK（替换当前掩码）。
      • set：指向要添加或移除的信号集的指针。
      • oldset：指向保存当前信号掩码的指针。
    • 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  6. sigpending()

    • 功能：sigpending函数用于检查被阻塞的信号。
    • 原型：int sigpending(sigset_t *set);
    • 参数：set是一个指向sigset_t的指针，用于保存当前进程阻塞且待处理的信号集。
    • 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  7. sigsuspend()

    • 功能：sigsuspend函数用于在阻塞信号集的基础上临时替换信号掩码，并暂停进程直到捕获到一个信号。
    • 原型：int sigsuspend(const sigset_t *mask);
    • 参数：mask是一个指向sigset_t的指针，指定了临时的信号掩码。
    • 返回值：总是返回-1，并将errno设置为EINTR，表示函数被信号中断。

这些函数是Linux信号处理的基石，它们允许程序以可控的方式处理信号，确保程序的稳定性和安全性。在实际使用中，sigaction通常比signal更受欢迎，因为它提供了更多的灵活性和控制。

 接下来给一个简单例子演示：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>// 信号处理函数
void handle_sigint(int sig) {printf("Caught signal %d\n", sig);
}int main() {struct sigaction sa;// 设置信号处理函数sa.sa_handler = &handle_sigint;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGINT, &sa, NULL);// 发送信号raise(SIGINT);// 主循环while (1) {printf("Hello, World!\n");sleep(1);}return 0;
}

在这个示例中，我们首先设置了一个信号处理函数handle_sigint来处理SIGINT信号。然后，我们使用sigaction函数来设置这个处理函数。接着，我们使用raise函数向当前进程发送了一个SIGINT信号。最后，程序进入一个循环，每隔一秒打印一条消息。 

三.网络编程相关信号

在网络编程中，信号通常用于处理异步事件，比如网络IO的读写就绪、连接请求、超时等。以下是一些在网络编程中常用的信号及相关函数和代码示例：

  1. SIGIO：
    • 功能：当网络IO操作可以进行时，系统会发送SIGIO信号给进程。
    • 使用场景：用于异步通知网络IO事件，如数据到达或套接字可写。
    • 代码示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void handle_sigio(int sig) {printf("Received SIGIO signal.\n");
}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = &handle_sigio;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGIO, &sa, NULL);// 将标准输入设置为非阻塞fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, O_ASYNC | O_NONBLOCK);fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());while (1) {sleep(1); // 模拟程序的其他工作}return 0;
}

在这个示例中，我们为SIGIO信号设置了一个处理函数handle_sigio。然后，我们将标准输入设置为异步通知模式，并指定当前进程作为信号接收者。当标准输入有数据可读时，进程将收到SIGIO信号。

  1. SIGPIPE：
    • 功能：当尝试向一个已经关闭的管道或网络连接写入数据时，系统会发送SIGPIPE信号给进程。
    • 使用场景：用于处理对端已经断开连接的情况。
    • 代码示例：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>void handle_sigpipe(int sig) {printf("Received SIGPIPE signal.\n");
}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = &handle_sigpipe;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGPIPE, &sa, NULL);// 模拟网络连接的写入操作// ...return 0;
}

在这个示例中，我们为SIGPIPE信号设置了一个处理函数handle_sigpipe。当尝试向一个已经关闭的连接写入数据时，进程将收到SIGPIPE信号。

  1. SIGALRM：
    • 功能：当设定的定时器超时时，系统会发送SIGALRM信号给进程。
    • 使用场景：用于实现超时机制，比如在网络请求中没有及时收到响应。
    • 代码示例：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void handle_sigalrm(int sig) {printf("Received SIGALRM signal.\n");
}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = &handle_sigalrm;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);alarm(5); // 设置5秒的定时器while (1) {sleep(1); // 模拟程序的其他工作}return 0;
}

在这个示例中，我们为SIGALRM信号设置了一个处理函数handle_sigalrm。然后，我们使用alarm函数设置了5秒的定时器。当定时器超时时，进程将收到SIGALRM信号。

四.统一信号事件源

 

在服务器程序中，统一处理信号和I/O事件是指使用单一的事件循环来处理所有的异步事件，包括信号和I/O事件（如网络数据到达、连接请求等）。这种方法可以提高程序的响应性和效率，因为它避免了在多个地方处理不同类型的事件，从而简化了程序的结构。

为了实现这一点，通常需要使用特殊的系统调用或库，如select、poll、epoll（在Linux中）或kqueue（在BSD系统中），这些系统调用允许程序同时监控多个文件描述符的I/O事件。然而，信号通常不能直接通过这些系统调用来监控。因此，需要将信号处理与I/O事件处理结合起来，通常的做法是在信号处理函数中设置一个全局标志，然后在主事件循环中检查这个标志。

以下是一个简单例子：

// 全局变量，用于标记信号是否发生
volatile sig_atomic_t got_sigio = 0;void handle_sigio(int sig) {got_sigio = 1; // 设置信号发生标志
}int main() {struct sigaction sa;fd_set readfds;int max_fd = 0;// 设置SIGIO信号的处理函数sa.sa_handler = &handle_sigio;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGIO, &sa, NULL);// 将标准输入设置为非阻塞，并指定当前进程作为信号接收者fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, O_ASYNC | O_NONBLOCK);fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());// 主事件循环while (1) {FD_ZERO(&readfds);// 监控标准输入FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);max_fd = STDIN_FILENO;// 使用select监控I/O事件struct timeval timeout = {5, 0}; // 超时设置为5秒int ready = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);if (ready == -1) {perror("select");break;} else if (ready == 0) {printf("Timeout occurred.\n");} else {if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {// 处理标准输入的I/O事件char buffer[1024];ssize_t count = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));if (count <= 0) {break;}printf("Read from stdin: %.*s", (int)count, buffer);}}// 检查信号是否发生if (got_sigio) {printf("SIGIO received.\n");got_sigio = 0; // 重置信号发生标志}}return 0;
}

在这个示例中，我们使用select来监控标准输入的I/O事件，并设置了一个全局变量got_sigio来标记SIGIO信号是否发生。在信号处理函数handle_sigio中，我们只是设置了这个标志。在主事件循环中，我们首先使用select来等待I/O事件，然后在select返回后检查是否收到了SIGIO信号。如果收到了信号，我们就处理它，然后继续事件循环。

请注意，这个示例仅用于演示目的，实际应用中可能需要更复杂的逻辑来处理信号和I/O事件，尤其是在多线程或多进程的环境中。此外，select并不是处理大量文件描述符的最有效方法，对于高性能服务器，通常会选择使用epoll或kqueue。

     好啦！到这里这篇文章就结束啦，关于实例代码中我写了很多注释，如果大家还有不懂得，可以评论区或者私信我都可以哦4d7d9707063b4d9c90ac2bca034b5705.png！！ 感谢大家的阅读，我还会持续创造网络编程相关内容的，记得点点小爱心和关注哟！2cd0d6ee4ef84605933ed7c04d71cfef.jpeg  

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