进程信号

本节重点：

掌握Linux信号的基本概念

掌握信号产生的一般方式

理解信号递达和阻塞的概念，原理。

掌握信号捕捉的一般方式。

重新了解可重入函数的概念。

信号入门

1. 生活角度的信号

拿快递

技术应用角度的信号

用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程。

用户按下 Ctrl-C ,这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程

前台进程因为收到信号，进而引起进程退出

进程就是你，操作系统就是快递员，信号就是快递

注意

Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行,这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令,启动新的进程。

Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程,只有前台进程才能接到像 Ctrl-C 这种控制键产生的信号。

前台进程在运行过程中用户随时可能按下 Ctrl-C 而产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到 SIGINT 信号而终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步 (Asynchronous)的。

信号概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

用kill -l命令可以察看系统定义的信号列表

每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到,例如其中有定义 #define SIGINT 2

编号34以上的是实时信号,本章只讨论编号34以下的信号,不讨论实时信号。这些信号各自在什么条件下产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal

信号处理常见方式概览

(sigaction函数稍后详细介绍),可选的处理动作有以下三种

忽略此信号。

执行该信号的默认处理动作。

提供一个信号处理函数,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数,这种方式称为捕捉 (Catch)一个信号。

产生信号

通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程,

SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。

调用系统函数向进程发信号

首先在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号

#./test &
[3] 4568
# kill -SIGSEGU 4568
#
[3] Segmentation fault    (core dumped) ./test

4568是test进程的id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault ,是因为在4568进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令,Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起,所以等用户输入命令之后才显示。

指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法,上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 4568 或 kill -11 4568 , 11是信号SIGSEGV的编号。以往遇到的段错误都是由非法内存访问产生的,而这个程序本身没错, 给它发SIGSEGV也能产生段错误。

kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);
这两个函数都是成功返回0,错误返回-1。

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。

#include <stdlib.h>
void abort(void);
就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。

由软件条件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号,在“管道”中已经介绍过了。本节主要介绍alarm函数和SIGALRM信号

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令,CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址,,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

信号捕捉初识

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
   printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
   signal(2, handler); //前文提到过，信号是可以被自定义捕捉的，siganl函数就是来进行信号捕捉的，提前了解一下
   while(1);
   return 0;
}
[hb@localhost code_test]$ ./sig 
^Ccatch a sig : 2
^Ccatch a sig : 2
^Ccatch a sig : 2
^Ccatch a sig : 2
^\Quit (core dumped)
[hb@localhost code_test]$

模拟一下野指针异常

//默认行为
[hb@localhost code_test]$ cat sig.c 
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
   printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
   //signal(SIGSEGV, handler);
   sleep(1);
   int *p = NULL;
   *p = 100;
while(1);
   return 0;
}
[hb@localhost code_test]$ ./sig 
Segmentation fault (core dumped)
[hb@localhost code_test]$ 
//捕捉行为
[hb@localhost code_test]$ cat sig.c 
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
   printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
   signal(SIGSEGV, handler);
   sleep(1);
   int *p = NULL;
   *p = 100;
   while(1);
   return 0;
}
[hb@localhost code_test]$ ./sig 
[hb@localhost code_test]$ ./sig 
catch a sig : 11
catch a sig : 11
catch a sig : 11

由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。

总结思考一下

上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么？OS是进程的管理者

信号的处理是否是立即处理的？在合适的时候

信号如果不是被立即处理，那么信号是否需要暂时被进程记录下来？记录在哪里最合适呢？

一个进程在没有收到信号的时候，能否能知道，自己应该对合法信号作何处理呢？

如何理解OS向进程发送信号？能否描述一下完整的发送处理过程？

阻塞信号

信号其他相关常见概念

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)

信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。

进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。

被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.

注意,阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

在内核中的表示

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。

SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。

SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。本章不讨论实时信号。

捕捉信号

内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行 main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号 SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler 和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复 main函数的上下文继续执行了。

信号捕捉函数signal

man 2 signal

可重入函数

main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步,刚做完第一步的时候,因为硬件中断使进程切换到内核,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于是切换到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2,插入操作的两步都做完之后从 sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二步。结果是,main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点,而最后只有一个节点真正插入链表中了。

像上例这样,insert函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称为重入,insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为不可重入函数,反之, 如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数。想一下,为什么两个不同的控制流程调用同一个函数,访问它的同一个局部变量或参数就不会造成错乱?

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的

调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

5.进程信号