Linux信號機(jī)制之信號的保存與處理技巧分享

更新時間：2024年10月15日 08:50:51 作者：Eternity._

本文旨在為廣大Linux學(xué)習(xí)者提供一份詳盡而實用的指南,幫助他們深入理解Linux中的信號機(jī)制,掌握信號的保存與處理技巧,我們將從信號的基本概念出發(fā),逐步深入到信號的捕獲、保存、處理以及恢復(fù)等各個環(huán)節(jié),通過生動的實例和詳細(xì)的解釋,讓讀者能夠輕松掌握

前言：在Linux操作系統(tǒng)的廣闊天地中，信號機(jī)制無疑是一個充滿挑戰(zhàn)與機(jī)遇的領(lǐng)域。信號，作為進(jìn)程間通信的一種重要方式，不僅承載著豐富的信息，還扮演著進(jìn)程控制與管理的重要角色。然而，對于許多初學(xué)者而言，信號的保存與處理往往是一個難以逾越的障礙

讓我們一同踏上這段充滿探索與發(fā)現(xiàn)的旅程，共同揭開Linux信號機(jī)制的神秘面紗吧！

1. 信號的保存

信號其他相關(guān)常見概念

實際執(zhí)行信號的處理動作稱為信號遞達(dá)(Delivery)
信號從產(chǎn)生到遞達(dá)之間的狀態(tài),稱為信號未決(Pending)
進(jìn)程可以選擇阻塞 (Block )某個信號
被阻塞的信號產(chǎn)生時將保持在未決狀態(tài)，直到進(jìn)程解除對此信號的阻塞，才執(zhí)行遞達(dá)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(dá)，而忽略是在遞達(dá)之后可選的一種處理動作

在內(nèi)核中的表示

在Linux內(nèi)核中，信號的保存主要依賴于三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：pending表、block表和handler表

pending表：

pending表是一張位圖（bitmap），用于記錄當(dāng)前進(jìn)程是否收到了信號，以及收到了哪些信號
當(dāng)進(jìn)程接收到一個信號時，對應(yīng)的信號位圖上的比特位就會由0置1，表示該信號處于未決（Pending）狀態(tài)

block表：

block表也是一張位圖，用于記錄特定信號是否被屏蔽（阻塞）
比特位的內(nèi)容為0表示不屏蔽，為1表示屏蔽。屏蔽的信號在解除屏蔽之前不會被操作系統(tǒng)處理

handler表：

handler表是一個函數(shù)指針數(shù)組，用于保存每個信號對應(yīng)的處理方法
這些處理方法可以是默認(rèn)的，或者忽略的，當(dāng)然也可以是用戶自定義的。當(dāng)信號被遞達(dá)時，操作系統(tǒng)會根據(jù)handler表找到對應(yīng)的處理方法并執(zhí)行

在這里插入圖片描述

舉個例子：上圖SIGINT信號產(chǎn)生過，但正在被阻塞，所以暫時不能遞達(dá)。雖然它的處理動作是忽略，但在沒有解除阻塞之前不能忽略這個信號，因為進(jìn)程仍有機(jī)會改變處理動作之后再解除阻塞

sigset_t

sigset_t是一個在Unix和Linux系統(tǒng)中用于表示信號集的數(shù)據(jù)類型。信號集本質(zhì)上是一個信號的集合，用于指定多個信號，通過使用sigset_t，可以輕松地指定一組信號，并在諸如信號阻塞、信號等待等操作中使用這組信號

sigset_t信號集操作函數(shù)：

sigemptyset()：初始化信號集，將其設(shè)置為空集
sigfillset()：初始化信號集，將其設(shè)置為包含所有信號的集合
sigaddset()：向信號集中添加一個信號
sigdelset()：從信號集中刪除一個信號
sigismember()：檢查一個信號是否屬于某個信號集

2. 信號集操作函數(shù)

信號集操作函數(shù)用于處理與信號集（sigset_t類型）相關(guān)的操作。這些函數(shù)允許用戶初始化信號集、添加或刪除信號、檢查信號是否存在于信號集中，以及修改進(jìn)程的信號屏蔽字

sigprocmask()函數(shù)：

讀取或更改進(jìn)程的信號屏蔽字(阻塞信號集)

在這里插入圖片描述

返回值:若成功則為0,若出錯則為-1

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

如果oset是非空指針,則讀取進(jìn)程的當(dāng)前信號屏蔽字通過oset參數(shù)傳出。如果set是非空指針,則更改進(jìn)程的信號屏蔽字,參數(shù)how指示如何更改。如果oset和set都是非空指針,則先將原來的信號屏蔽字備份到oset里,然后根據(jù)set和how參數(shù)更改信號屏蔽字。假設(shè)當(dāng)前的信號屏蔽字為mask,下表說明了how參數(shù)的可選值

在這里插入圖片描述

代碼示例：

void headler(int signo)
{
    cout << "headler: " << signo << endl;
    // exit(0);
}

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

    sigset_t block, oblock;
	
	// 初始化
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);

    sigaddset(&block, 2); // 設(shè)置對2號信號的屏蔽

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock);

    while(1)
    {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

在這里插入圖片描述

那我們到底能不能屏蔽所有普通信號呢？我們來測試一下

修改代碼：

for(int signo = 1; signo <= 31; signo++) sigaddset(&block, signo);

在這里插入圖片描述

我們發(fā)現(xiàn)9號信號，19號信號是不會被屏蔽的

注意：如果調(diào)用sigprocmask解除了對當(dāng)前若干個未決信號的阻塞,則在sigprocmask返回前,至少將其中一個信號遞達(dá)

sigpending()函數(shù)：

讀取當(dāng)前進(jìn)程的未決信號集,通過set參數(shù)傳出

在這里插入圖片描述

返回值：調(diào)用成功則返回0，出錯則返回-1

int sigpending(sigset_t *set);

代碼示例：

void PrintPending(const sigset_t &pending)
{
    for(int signo = 32; signo > 0; signo--)
    {
        if(sigismember(&pending, signo))
        {
            cout << "1";
        }
        else{
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
	cout << "pid: " << getpid() << endl;
	
    // 屏蔽2號信號
    sigset_t set, oset;

    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);

    sigaddset(&set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
	
	int cnt = 0;    
    // 讓進(jìn)程不斷獲取當(dāng)前進(jìn)程的pending
    sigset_t pending;
    while(1)
    {
        sigpending(&pending);
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
		
		// 對2好信號進(jìn)行解除屏蔽
		cnt++;
		if(cnt == 16)
		{
			cout << "對2號信號進(jìn)行解除屏蔽，準(zhǔn)備遞達(dá)" << endl;
			sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
		}
    }
    return 0;
}

在這里插入圖片描述

當(dāng)我們對信號進(jìn)行處理的時候，會先將pending位圖中的1 -> 0，然后再去調(diào)用信號捕捉方法

3. 信號的處理

進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)的時候（包含身份的變化），進(jìn)行信號的檢測和信號的處理

用戶態(tài)是一種受控的狀態(tài)，能夠訪問的資源是有限的（只能訪問自己的[ 0 - 3GB] ）
內(nèi)核態(tài)是一種操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)，能夠訪問大部分系統(tǒng)資源（可以讓用戶以O(shè)S的身份訪問[ 3 - 4GB]）

調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口就是在進(jìn)程地址空間中進(jìn)行的！

在這里插入圖片描述

sigaction

sigaction是一個POSIX標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用，用于更改和檢查信號的處理方式。與傳統(tǒng)的signal函數(shù)相比，sigaction提供了更多的控制選項和更可靠的信號處理方式

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

signum：信號編號，指定要設(shè)置的信號
act：指向sigaction結(jié)構(gòu)的指針，在sigaction的實例中指定了對特定信號的處理。如果為NULL，則進(jìn)程會以缺省方式對信號處理
oldact：指向的對象用來保存原來對相應(yīng)信號的處理，如果為NULL，則不保存

act和oldact指向sigaction結(jié)構(gòu)體

在這里插入圖片描述

代碼示例：

void Print(const sigset_t &pending);

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << endl;

    while(1)
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);
        Print(pending);
        
        sleep(1);
    }
}

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

int main()
{
    cout << "pid: " << getpid() << endl;

    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;

    // 增加對3號信息的屏蔽
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);

    // 對2信號進(jìn)行屏蔽
    sigaction(2, &act, &oact); 

    while(1) sleep(1);

    return 0;
}

在這里插入圖片描述

當(dāng)某個信號的處理函數(shù)被調(diào)用時，內(nèi)核自動將當(dāng)前信號加入進(jìn)程的信號屏蔽字，當(dāng)信號處理函數(shù)返回時自動恢復(fù)原來的信號屏蔽字，這樣就保證了在處理某個信號時，如果這種信號再次產(chǎn)生，那么它會被阻塞到當(dāng)前處理結(jié)束為止，如果在調(diào)用信號處理函數(shù)時，除了當(dāng)前信號被自動屏蔽之外，還希望自動屏蔽另外一些信號,則用sa_mask字段說明這些需要額外屏蔽的信號，當(dāng)信號處理函數(shù)返回時自動恢復(fù)原來的信號屏蔽字

多個信號情況：

代碼示例：

void Print(const sigset_t &pending);

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << endl;
    sleep(1);
}

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

int main()
{
    signal(2, handler);
    signal(3, handler);
    signal(4, handler);
    signal(5, handler);

    sigset_t mask, omask;
    sigemptyset(&mask);
    sigemptyset(&omask);

    sigaddset(&mask, 2);
    sigaddset(&mask, 3);
    sigaddset(&mask, 4);
    sigaddset(&mask, 5);

    sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &omask);

    cout << "pid: " << getpid() << endl;

    int cnt = 20;
    while(1) 
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);
        Print(pending);

        cnt--;
        sleep(1);
        if(cnt == 0)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &omask, nullptr);
            cout << "cancel 2,3,4,5 block" << endl;
        }
    }

    return 0;
}

在這里插入圖片描述

由實驗結(jié)果來看，我們系統(tǒng)是等所有的信號處理完全了，統(tǒng)一再進(jìn)行返回的，并且他并不是按照順序來處理信號的

在這里插入圖片描述

4. 可重入函數(shù)

可重入函數(shù)是指可以被多個任務(wù)（如線程、進(jìn)程）同時調(diào)用，并且能保證每個任務(wù)調(diào)用該函數(shù)時都能得到正確結(jié)果的函數(shù)。換句話說，這種函數(shù)在執(zhí)行的任何時刻都可以被中斷，然后在中斷點恢復(fù)執(zhí)行而不會導(dǎo)致錯誤

在這里插入圖片描述

main函數(shù)調(diào)用 insert函數(shù)向一個鏈表head中插入節(jié)點node1，插入操作分為兩步，剛做完第一步的時候，因為硬件中斷使進(jìn)程切換到內(nèi)核，再次回用戶態(tài)之前檢查到有信號待處理，于是切換到sighandler函數(shù)，sighandler也調(diào)用insert函數(shù)向同一個鏈表head中插入節(jié)點node2，插入操作的兩步都做完之后從sighandler返回內(nèi)核態(tài)，再次回到用戶態(tài)就從main函數(shù)調(diào)用的insert函數(shù)中繼續(xù) 往下執(zhí)行，先前做第一步之后被打斷，現(xiàn)在繼續(xù)做完第二步。結(jié)果是，main函數(shù)和sighandler先后向鏈表中插入兩個節(jié)點，而最后只有一個節(jié)點真正插入鏈表中
insert函數(shù)被不同的控制流程調(diào)用,有可能在第一次調(diào)用還沒返回時就再次進(jìn)入該函數(shù)，這稱為重入，insert函數(shù)訪問一個全局鏈表，有可能因為重入而造成錯亂，像這樣的函數(shù)稱為不可重入函數(shù)，反之，如果一個函數(shù)只訪問自己的局部變量或參數(shù)，則稱為可重入(Reentrant) 函數(shù)

不可重入函數(shù)（符合以下任一條件）：

調(diào)用了malloc或free，因為malloc也是用全局鏈表來管理堆的
調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)I/O庫函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)I/O庫的很多實現(xiàn)都以不可重入的方式使用全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

5. volatile

volatile是一個類型修飾符，用于告訴虛擬機(jī)該變量是極有可能多變的，從而免于一些優(yōu)化措施，確保變量的正確性和線程間的通信。它主要用于多線程環(huán)境下的變量共享，確保變量的可見性和有序性

代碼示例：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

int flag = 0;

void headler(int signo)
{
    cout << "signo: " << signo << endl;
    flag = 1;
    cout << "change flag to: " << flag << endl;
}

int main()
{
    signal(2, headler);

    cout << "pid: " << getpid() << endl;
    while(!flag);
    cout << "qiut normal!" << endl;
    return 0;
}

標(biāo)準(zhǔn)情況下，鍵入 CTRL-C ，2號信號被捕捉，執(zhí)行自定義動作，修改 flag＝1 ， while 條件不滿足，退出循環(huán)，進(jìn)程退出

在這里插入圖片描述

優(yōu)化情況下（-O2）(不是數(shù)字0)，鍵入 CTRL-C ,2號信號被捕捉，執(zhí)行自定義動作，修改 flag＝1 ，但是 while 條件依舊滿足，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行

在這里插入圖片描述

所以要想不讓編譯器優(yōu)化，我們需要加上volatile

volatile int flag = 0;

在這里插入圖片描述

6. 總結(jié)

SIGCHLD信號（了解）

SIGCHLD信號在子進(jìn)程狀態(tài)改變時發(fā)送給其父進(jìn)程。子進(jìn)程的狀態(tài)改變包括以下幾種情況：

子進(jìn)程終止，無論是正常終止還是異常終止（如有core dump或無core dump）
子進(jìn)程停止，例如接收到SIGSTOP信號
停止的子進(jìn)程被SIGCONT信號喚醒并繼續(xù)執(zhí)行

代碼示例：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h> 

using namespace std;

void handle(int signo) {  
    int status;  
    pid_t pid;  
    while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {  
        if (WIFEXITED(status)) {  
            printf("Child %d exited with status %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));  
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {  
            printf("Child %d killed by signal %d\n", pid, WTERMSIG(status));  
        }  
    }  
}  
  
int main() {  
    pid_t pid;  
    struct sigaction act;  
  
    // 設(shè)置SIGCHLD信號的處理函數(shù)  
    act.sa_handler = handle;  
    sigemptyset(&act.sa_mask);  
    act.sa_flags = 0;  
    sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);  
  
    // 創(chuàng)建子進(jìn)程  
    pid = fork();  
    if (pid < 0) 
    {  
        perror("fork");  
        exit(1);  
    } 
    else if (pid == 0)
     {  
        // 子進(jìn)程代碼  
        printf("Child process (PID: %d) is running\n", getpid());  
        sleep(5); // 模擬子進(jìn)程工作  
        exit(0);  // 子進(jìn)程正常退出  
    } 
    else 
    {  
        // 父進(jìn)程代碼  
        printf("Parent process (PID: %d) is running\n", getpid());  
        // 父進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，等待SIGCHLD信號來回收子進(jìn)程  
        while (1) {  
            sleep(10); // 模擬父進(jìn)程工作  
            printf("Parent process is still running\n");  
        }  
    }  
  
    return 0;  
}

父進(jìn)程設(shè)置了SIGCHLD信號的處理函數(shù)handle_sigchld，該函數(shù)會在子進(jìn)程狀態(tài)改變時被調(diào)用。在處理函數(shù)中，父進(jìn)程使用waitpid()函數(shù)來回收子進(jìn)程的資源

在這里插入圖片描述

隨著我們對Linux中信號保存與處理機(jī)制的深入探討，我們不難發(fā)現(xiàn)，信號不僅是進(jìn)程間通信的一種重要手段，更是Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的一種強(qiáng)大而靈活的控制機(jī)制。通過信號的捕獲、保存、處理以及恢復(fù)，我們可以實現(xiàn)對進(jìn)程行為的精確控制，從而滿足各種復(fù)雜的系統(tǒng)需求

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