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Linux之信號的保存方式

更新時間：2024年02月12日 16:47:32 作者：海綿寶寶de派小星

這篇文章主要介紹了Linux之信號的保存方式,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

實際上是有一個CMOS時鐘這樣的硬件，通過特定的時鐘周期不斷地向CPU發(fā)送并觸發(fā)時鐘中斷，那么在觸發(fā)時鐘中斷的時候，實際上操作系統(tǒng)的內部已經綁定好了對應的調度方法，所以在操作系統(tǒng)啟動的時候，就會提前把觸發(fā)的工作做好，在啟動之后就會變成一個死循環(huán)的軟件，這也就解釋了為什么在啟動了之后，操作系統(tǒng)雖然是軟件，但是卻不會關機，只有當電腦關機后操作系統(tǒng)才會關機的原因，就是因為它本質上就是一個死循環(huán)，所以基于中斷，一旦對應的時鐘周期到了，就會執(zhí)行時鐘中斷對應的方法，也就有了調度的方法，基于這樣的進度就可以把進程按照時間的節(jié)奏一步一步的走起來

其實換個角度來講，操作系統(tǒng)其實是一卡一卡的執(zhí)行的，因為它在執(zhí)行中間的這個時間間隔就是發(fā)送時鐘中斷的時間間隔，時鐘中斷的這個時間其實就是提醒操作系統(tǒng)去執(zhí)行對應的調度方法，同時在中斷向量表中還會綁定一些硬件對應的操作方法，所以最后得出的結論是，操作系統(tǒng)實際上是由硬件促使操作系統(tǒng)跑起來的

有了上述的思想認知，再進行對于進程信號產生的回顧，進程的信號產生是由操作系統(tǒng)寫入到進程中，相當于是操作系統(tǒng)向進程發(fā)送信號，而在前面的認知中知道，進程對于信號的處理也并非是及時處理，而可能會保存到某個位置，在合適的時候進行處理，那么現在接下來的話題就是，這個信號會如何進行存儲，存儲之后又該如何進行處理呢？

信號相關概念

信號遞達

第一個問題是，信號會被記錄存儲在哪里，結論是會被存儲到PCB中的位圖中，這個是之前就已經有的結論，每一個進程的PCB中都會有一個用來描述進程接受的信號的位圖，借助這個位圖就可以獲取到該進程收到了什么信號

接下來的問題是關于處理信號及其相關概念：

實際執(zhí)行信號的處理動作稱為信號遞達
信號從產生到遞達之間的狀態(tài),稱為信號未決
進程可以選擇阻塞某個信號
被阻塞的信號產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

注意，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

下面基于這幾個名詞進行解釋，首先解釋的信號遞達

所謂信號遞達，說的是當進程收到一個信號后，它需要在合適的時候處理這個信號，而這里的處理信號這個過程就叫做信號的遞達，簡單來說可以理解成，已經收到這個信號，并且準備處理這個信號了，這個處理的動作就叫做信號遞達

在前面的內容中提到過，對于信號的處理有三種方式，第一種叫做忽略，第二種是默認，第三種是自定義捕捉，這其實就是說信號遞達的問題，當信號遞達后，也就是說此時信號已經要進行處理了，那么有上述的三種處理方式

給出下面的參考代碼

void handler(int signo)
{
    cout << "收到了" << signo << "號信號" << endl;
}

int main()
{
    cout << "pid:" << getpid() << endl;
    signal(2, handler);
    while (true)
        ;
    return 0;
}

此時對進程發(fā)送2號信號，那么對應的這個進程就會調用自定義的處理方式，對應的結果也符合預期，這個過程就是一個自定義捕捉的過程

SIG_DFL和SIG_IGN

void handler(int signo)
{
    cout << "收到了" << signo << "號信號" << endl;
}

int main()
{
    cout << "pid:" << getpid() << endl;
    signal(2, handler);
    signal(3, SIG_IGN);
    signal(4, SIG_DFL);
    while (true)
        ;
    return 0;
}

上面的兩個選項也是一種處理方式，可能這里會有疑問，為什么自定義函數的能和宏放到一起呢？signal函數的第二個參數可是函數指針

其實在內部，是通過強轉轉換而來的，也是把一個宏對應的內容轉換成了函數指針類型

在這當中需要理清的一個邏輯是，在這當中是有三種處理方式，忽略默認自定義捕捉，這個忽略該如何理解？

忽略也算是處理

忽略也算處理，現在進程收到了一個信號，那它該如何處理它呢？

答案是不處理，不處理就是忽略了這個信號，所以說忽略本質上也算是三種處理方式中的一種，處理方式就是不管這個信號，忽略它

所以之后對于信號處理的三種方式，默認自定義忽略，這三種處理方式有了一個統(tǒng)一的名字就叫做信號遞達，信號處理這個名詞也會被信號遞達這個概念所代替

信號未決

下面講述的概念是信號未決，信號未決通俗來講就是信號從產生到遞達這個階段的狀態(tài)就叫做信號未決，可以這樣理解，就是信號暫時還沒有被決定該如何處理，這個就叫做信號未決，就是說信號此時已經有了，但是還沒有處理，在這個階段的狀態(tài)就叫做信號未決，這也是可以理解的內容，因為在這個時間內進程可能在做更重要的事，還不能對這個信號做出處理，所以此時就要求需要對這個進程有一定的保存能力，在保存信號的方面可以采用一個位圖來進行保存普通信號，所以在信號產生到遞達之間的狀態(tài)，就叫做信號未決

換句話說，信號未決就是從產生到遞達這樣的一個狀態(tài)，當信號產生的時候就要把它保存起來，遞達就要把信號處理掉，但是信號的處理不是立刻處理的，在這個過程中就是說信號是未決的

信號阻塞

這是一個新的概念，叫做阻塞，那如何理解阻塞呢？

阻塞簡單來講就是說某一個信號可以被阻塞，也有一種說法叫做被阻塞的信號可以保持在一個未決的狀態(tài)中，直到進程解除對于該信號的阻塞才會調用對應的執(zhí)行動作。

阻塞的含義可以理解為，信號產生后會保存到對應的位圖中，此時信號所處的狀態(tài)就是信號未決，信號未決后，如果該信號被阻塞，那么這個信號就會一直保持未決的狀態(tài)，直到這個信號解除阻塞

忽略和阻塞

忽略是信號處理中的一種，也就是說信號遞達中包含忽略這種處理方式，而信號阻塞是導致不能夠信號遞達的一個原因，這兩個概念是不一樣的。

信號忽略是說，這個信號被忽略了，對于該信號的處理方式是忽略，而信號阻塞是壓根不處理這個信號，這個信號一直處于產生到遞達這樣的一個階段中，處于未決狀態(tài)，這兩個是截然不同的兩個概念，這也是可以理解的

信號是未決的，該信號一定被阻塞？

顯然是不對的，信號是未決的，可能是出于阻塞狀態(tài)，但是也可能是因為這個進程正在做更重要的事，所以它暫時沒有被處理，處于未決狀態(tài)，但是當這個進程做完了當前最重要的事，那么它一定會立刻對信號進行處理，此時就不再是信號未決的狀態(tài)了

內核中的示意圖

上圖表示的是，在進程的PCB中存儲的關于信號的結構信息，在PCB中關于信號會維護三張表，分別存儲的是信號的阻塞情況，表示有哪些信號被阻塞了，也存儲了信號的未決情況，表示有哪些信號此時遞達了，但是還沒有處理，也存儲了信號對應的處理方式，表示信號對應的處理方式是什么，默認忽略或是自定義捕捉

在內核源碼中，對于上述這三張表的定義也總結如下，可以看到對應的handler處理方法中存儲了對應的函數指針，表示的就是不同信號的處理方式：

由此，對于信號的存儲有了一個更深層次的理解，為什么進程可以識別到信號，本質上來說就是對于幾號信號在pending位圖中已經存儲好了，幾號信號，是否阻塞，對應的解決方式，都在三張表中有具體的體現，根據數組的下標就能很輕松的獲取到對應的存儲情況和處理方式，在操作系統(tǒng)運行的時候，最起碼的pending表和handler表是已經存儲好的，所以才有上述的這一套邏輯

而對于block表來說，也有一些不同的理解：

那這個block表該如何理解呢？

block表，表示的是對特定信號的屏蔽，也可以說是對一些信號的阻塞，換句話說，這個位圖和后面的兩個位圖是完全一樣的位圖結構，有了一個信號，就先在pending位圖中記錄下這個信號已經處于未決狀態(tài)了，再在合適的時機去到block位圖中尋找，如果這個信號沒有被阻塞，那么就執(zhí)行handler表中的方法，如果這個信號被block阻塞了，那么就讓這個信號一直處于pending的狀態(tài)，等block表中什么時候恢復了，再去執(zhí)行，當然這當中還有邊角的問題，比如誰先置1和置0的問題，后續(xù)會進行相關的實驗

正是因為有了這三張表，所以對于信號的操作其實都是圍繞這三張表進行展開的，比如對于PCB來說，這三張表是由操作系統(tǒng)提供的，那么操作系統(tǒng)就會想辦法去獲取并設置修改block表來表示對于一個或多個信號的屏蔽的目的，也可以比如說是對于pending位圖做修改，或是獲取pending位圖，比如在之前的bash中的kill命令，本質上就是向指定的進程中寫入信號，實際上就是在對這個pending表進行的寫入工作，而在之前的signal這樣的自定義捕捉函數，本質上也是在修改handler對應的表，這也和前面的知識進行了一定的串聯

由此可以看出，操作系統(tǒng)提供對應的系統(tǒng)調用，就是對于這三張表的修改過程，但是這還不夠，用戶該如何去修改？直接深入到內核中去修改位圖中比特位的情況，這對于用戶來說是一個很大的挑戰(zhàn)，同時對于操作系統(tǒng)來說也違背了它設計的初衷，因此操作系統(tǒng)還會提供對應修改位圖的方法，提供了一些新的數據類型，用來幫助用戶對于這三張表實現一些操作更改等

多信號問題

現在保存的信號用pending位圖表示是否收到了這個信號，但是這個進程可能會在很短的時間內同時收到信號，這個時間短到可能不能及時處理這個信號，在相當短的時間內，連續(xù)收到了多個同一個信號，pending位圖中只能記錄一次，換句話說，此時可能發(fā)送了10個相同的信號，但是只記錄了一次，剩下的九次就相當于直接被操作系統(tǒng)丟棄了，本質上來說是比特位只能是0和1，如果不斷的從1變成1，實際上也獲得不了什么新的效果，只能保存歷史上最近的一次封信，所以在進程解除對于某個信號的阻塞之前，可能這個信號已經被發(fā)送了很多次了，只是不能進行獲取，不管發(fā)送多少次，最終都是一次

因此操作系統(tǒng)允許向進程推送信號多次，但是在遞達之前，不管推送多少次，操作系統(tǒng)只看一次，這是由操作系統(tǒng)本身的位圖結構決定的，不過這樣情況出現的概率不大，其次是也可以用在信號處理內部放一個計數器，來表示如果設定不夠就重新再發(fā)，這樣的處理方式也是可以接受的

不過值得注意的是，這種只記錄一次的信號叫做普通信號，而與之對應的還有一個實時信號，實時信號在前面的內容中也有所涉獵，它的實時信號中的實時概念也就體現在在進程的PCB中有一個實時的信號隊列，每一個信號就相當于一個結構體對象，那么就用隊列的形式來管理這種信號，也就叫做實時信號，但是這里不考慮實時信號，只是對普通信號做出一個基本的理解

信號集的操作函數

下面進行的模塊就是對于信號集的操作函數，下面進行一一列舉內容：

下圖描述的是對于信號的一些函數，根據這些函數來對于信號的操作函數有一個基本的理解

sigemptyset函數

這個函數的主要作用是對于set所指向的操作集進行一個基本的初始化，簡單來說就是把比特位置0，并且這當中不應該有任何有效的信號

sigfillset函數

這個函數的主要作用是把信號集都置為1，表示這當中存儲的是有效的信號

sigaddset和sigdelset函數

這兩個函數是對于信號的增加和刪除

sigismember函數

這個函數是用來查詢某個函數是否在當前的pending信號集中，返回值是bool類

sigprocmask函數

這個函數是用來讀取或更改進程的信號屏蔽字，也就是阻塞信號集，而這個后面的參數，一個是用什么方法來傳遞，后面的兩個參數都是對應的信號集，簡單來說就是通過參數來覆蓋當前的信號集

對于第一個參數來說，它有下面的幾種方式進行傳遞

SIG_BLOCK

這個操作會把當前信號阻塞集合和set所指向的信號集合取并集，簡單來說是把set集合加入到當前的信號阻塞集合中

SIG_SETMASK

這個操作會把當前信號阻塞集合設置為set所指向的信號集合，會把當前集合直接覆蓋掉

SIG_UNBLOCK

這個操作是把當前信號阻塞集合與set集合中的信號的補集取交集，簡單來說就是把set中的信號進行解除

后面的兩個參數值得注意一下，一個是set，一個是oset，這兩個參數是有其對應的意義的，第一個set表示的是要傳入覆蓋的對應的位圖是什么樣的，第二個oset是一個輸出型參數，它保存的是當前位圖的情況，所以本質上來說可以理解成是一個保存了前面位圖的參數，這樣可以方便后續(xù)進行恢復等等操作，具體的后續(xù)進行使用

代碼實踐

下面用代碼實踐來表示

第一個要完成的動作是把2號信號加到信號屏蔽集中，現在有一個問題是，我設置了加到屏蔽集合中就真的屏蔽了嗎？嚴格意義來說并不是，因為這些內容本質上是在棧上開辟的空間，所以它本質上是在代碼區(qū)域上，并沒有真正設置到操作系統(tǒng)中，所以此時把2號信號添加到集合中也只是在棧上修改了一個變量的信息，這只是語言層面上的設置，而只有通過調用sigprocmask函數后，才能是真正意義上的進行屏蔽的操作，表示的是直接修改了在內核中對于阻塞表的操作，修改了內核的字段，不過，從廣義的角度來講，其實這樣的操作就被叫做是加入到了內核中

這里由于是第一次使用，所以要將語言層面和內核層面分開，再怎么說對于位圖的修改也只是語言層面上，實際的運用中并沒有進行位圖的修改，而只有用sigprocmask函數之后，才是進入內核的層面上修改了內核中的相應字段

寫出示例代碼，如下所示

void handler(int signo)
{
    cout << "收到了" << signo << "號信號" << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    cout << "當前pid:" << getpid() << endl;

    // 1. 屏蔽2號信號
    sigset_t set, oset;
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    sigaddset(&set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);

    while(true)
        sleep(1);

    return 0;
}

對上述代碼進行運行得到如下結果：

由此可以看出，此時確實對于2號信號進行了屏蔽效果，只有發(fā)送其他信號才會有反應

這是由于，經過了sigprocmask之后，此時的2號信號已經存儲在了pending表中，那么它此時就不能再被執(zhí)行了

kill -9

9號信號是最特殊的信號，它本身是不能被屏蔽的，它也被叫做管理員信號，也叫做管理員之光，如果有任何進程出現問題，都可以用kill -9來殺掉，并且保證這個信號不會被屏蔽

sigpending函數

這個函數的作用也很簡單，就是讀取當前進程的pending信號集，通過set參數傳出，調用成功返回0，失敗返回-1

則可以借助這個函數實現下面的代碼內容：

void handler(int signo)
{
    cout << "收到了" << signo << "號信號" << endl;
}

void PrintSignal(const sigset_t &set)
{
    for (int i = 31; i >= 1; i--)
    {
        if (sigismember(&set, i))
            cout << "1";
        else
            cout << "0";
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    cout << "當前pid:" << getpid() << endl;

    // 1. 屏蔽2號信號
    sigset_t set, oset;
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    sigaddset(&set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);

    // 2. 讓進程獲取現在的pending
    sigset_t pending;
    while(true)
    {
        sigpending(&pending);
        PrintSignal(pending);

        sleep(1);
    }

    while (true)
        sleep(1);

    return 0;
}

而想要解除屏蔽也很簡單，這個時候就用上了oset的內容：

void handler(int signo)
{
    cout << "收到了" << signo << "號信號" << endl;
}

void PrintSignal(const sigset_t &set)
{
    for (int i = 31; i >= 1; i--)
    {
        if (sigismember(&set, i))
            cout << "1";
        else
            cout << "0";
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    cout << "當前pid:" << getpid() << endl;

    // 1. 屏蔽2號信號
    sigset_t set, oset;
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    sigaddset(&set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);

    // 2. 讓進程獲取現在的pending
    sigset_t pending;
    int cut = 0;
    while (true)
    {
        sigpending(&pending);
        PrintSignal(pending);
        cut++;
        sleep(1);
        if (cut == 5)
        {
            // 3. 解除屏蔽
            cout << "已解除屏蔽" << endl;
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
            sigpending(&pending);
            PrintSignal(pending);
            sleep(1);
        }
    }

    while (true)
        sleep(1);

    return 0;
}