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信号—signal
一、信号的基本概念
为了理解信号,先从我们最熟悉的场景说起:
1. 用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程。
2. 用户按下Ctrl-C,这个键盘输入产生一个硬件中断。
3. 如果CPU当前正在执行这个进程的代码,则该进程的用户空间代码暂停 执行,CPU从用户态 切换到内核态处理硬件中断。
4. 终端驱动程序将Ctrl-C解释成一个SIGINT信号,记在该进程的PCB中(也 可以说发送了个SIGINT信号给该进程)。
5. 当某个时刻要从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前,先 处理PCB中记录的信号,发现有一个SIGINT信号待处理,这个信号的默认处 理动作是终止进程,所以直接终止进程而不再返回它的用户空间代码执。 注意,Ctrl-C产生的信号只能发给前台进程。一个命令后加个&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产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执到任何地何都有可能收到SIGINT信号终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步(Asynchronous)的。
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，在此不讨论实时信号。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
产生信号的条件主要有:
1. 用户在终端按下某些键时,终端驱动程序会发送信号给前台进程,例如 Ctrl-C产生SIGINT信号,Ctrl-\产生SIGQUIT信号,Ctrl-Z产生SIGTSTP信号(可使前台进暂停)。
2. 硬件异常产生信号,这些条件由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。
3. 一个进程调用kill(2)函数可以发送信号给另一个进程。 可以kill(1)命令发送信号给某个进程,kill(1)命令也是调kill(2)函数实现的,如果不明确指定信号则发送SIGTERM信号,该信号的默认处理动作是终止进程。当内核检测到某种软件条件发生时也可以通过信号通知进程,例如闹钟超时产生SIGALRM信号,向读端已关闭的管道写数据时产生SIGPIPE信号。如果不想按默认动作处理信号,用户程序可以调sigaction(2)函数告诉内核如何处理某种信号
(sigaction函数稍后详细介绍), 可选的处理动作有以下三种:
1. 忽略此信号。
2. 执行该信号的默认处理动作。
3. 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。
二、产生信号
A. 通过终端按键产信号
上面讲过,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,现在我们来验证下。
先解释什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的户空间内存数据全部保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump。进程异常终止通常是因为有Bug ,如非法内存访问导致段错误,事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug 。一个进程允许产生多少的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存 在PCB中)。默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。
用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大（系统默认）为0 K:
可以用 ulimit -c （修改大小）来改变 core file size
B. 调用系统函数向进程发信号
先在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号。 
21936是my_signal进程的id 。之所以要再次回车才显示Segmentation fault ,是因为在21936进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下条命令,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 21936 或kill -11 21936 , 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,这个程序本身没错,给它发SIGSEGV也能产生段错误。
kill命令是调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SIGABRT信号异常终止。
#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。
C. 由软件条件产生信号
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,某人要睡觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被吵醒了,还想多睡 会,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。
程序实例：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
int i=0;
alarm(5);
while(1)
{
printf("i‘m sleep:%d\n",++i);
sleep(1);
}
return 0;
} 运行结果：
三、阻塞信号
A. 信号在内核中的表示
以上我们讨论了信号产生(Generation )的各种原因,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,忽略是在递达之后 可选的一种处理动作。信号在内核中的表示可以看作是这样的:
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。在上图的例子中,
1. SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
2. 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。
3. 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,实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列。在此不讨论实时信号。
从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,0即1,不记录该信号产了多少次,阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t 来存储,sigset_t 称为信号集,这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。
B. 信号集操作函数
sigset_t 类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,于这个类型内部如何存储这 些bit则依赖于系统实现,从使用者的角度是不必关的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_t 变量,不应该对它的内部数据做任何解释,如printf直接打印sigset_t 变量是没 有意义的。
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);
函数sigemptyset 初始化set 所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表该信号集
不包含 任何有效信号。函数sigfillset初始化set 所指向的信号集,使其中所有信号的对
应bit置位,表 该信号集的有效信号包括系统持的所有信号。注意,在使sigset_t 类型
的变量之前,定要调 sigemptyset 或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状
态。初始化sigset_t 变量之后就可以 在调sigaddset和sigdelset在该信号集中添加
或删除某种有效信号。这四个函数都是成功返回0,出错返回-1 。sigismember 是个布尔
函数,于判断个信号集的有效信号中是否包含某种 信号,若包含则返回1,不包含则返回0,
出错返回-1 。
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