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第六课 信号处理
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一、基本概念
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1. 中断
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中止(注意不是终止)当前正在执行的程序，
转而执行其它任务。
硬件中断：来自硬件设备的中断。
软件中断：来自其它程序的中断。
2. 信号是一种软件中断
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信号提供了一种以异步方式执行任务的机制。
3. 常见信号
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SIGHUP(1)：连接断开信号
如果终端接口检测一个连接断开，
则将此信号发送给与该终端相关的控制进程(会话首进程)。
默认动作：终止。
SIGINT(2)：终端中断符信号
用户按中断键(Ctrl+C)，产生此信号，
并送至前台进程组的所有进程。
默认动作：终止。
SIGQUIT(3)：终端退出符信号
用户按退出键(Ctrl+\)，产生此信号，
并送至前台进程组的所有进程。
默认动作：终止+core。
SIGILL(4)：非法硬件指令信号
进程执行了一条非法硬件指令。
默认动作：终止+core。
SIGTRAP(5)：硬件故障信号
指示一个实现定义的硬件故障。常用于调试。
默认动作：终止+core。
SIGABRT(6)：异常终止信号
调用abort函数，产生此信号。
默认动作：终止+core。
SIGBUS(7)：总线错误信号
指示一个实现定义的硬件故障。常用于内存故障。
默认动作：终止+core。
SIGFPE(8)：算术异常信号
表示一个算术运算异常，例如除以0、浮点溢出等。
默认动作：终止+core。
SIGKILL(9)：终止信号
不能被捕获或忽略。常用于杀死进程。
默认动作：终止。
SIGUSR1(10)：用户定义信号
用户定义信号，用于应用程序。
默认动作：终止。
SIGSEGV(11)：段错误信号
试图访问未分配的内存，或向没有写权限的内存写入数据。
默认动作：终止+core。
SIGUSR2(12)：用户定义信号
用户定义信号，用于应用程序。
默认动作：终止。
SIGPIPE(13)：管道异常信号
写管道时读进程已终止，
或写SOCK_STREAM类型套接字时连接已断开，均产生此信号。
默认动作：终止。
SIGALRM(14)：闹钟信号
以alarm函数设置的计时器到期，
或以setitimer函数设置的间隔时间到期，均产生此信号。
默认动作：终止。
SIGTERM(15)：终止信号
由kill命令发送的系统默认终止信号。
默认动作：终止。
SIGSTKFLT(16)：数协器栈故障信号
表示数学协处理器发生栈故障。
默认动作：终止。
SIGCHLD(17)：子进程状态改变信号
在一个进程终止或停止时，将此信号发送给其父进程。
默认动作：忽略。
SIGCONT(18)：使停止的进程继续
向处于停止状态的进程发送此信号，令其继续运行。
默认动作：继续/忽略。
SIGSTOP(19)：停止信号
不能被捕获或忽略。停止一个进程。
默认动作：停止进程。
SIGTSTP(20)：终端停止符信号。
用户按停止键(Ctrl+Z)，产生此信号，
并送至前台进程组的所有进程。
默认动作：停止进程。
SIGTTIN(21)：后台读控制终端信号
后台进程组中的进程试图读其控制终端，产生此信号。
默认动作：停止。
SIGTTOU(22)：后台写控制终端信号
后台进程组中的进程试图写其控制终端，产生此信号。
默认动作：停止。
SIGURG(23)：紧急情况信号
有紧急情况发生，或从网络上接收到带外数据，产生此信号。
默认动作：忽略。
SIGXCPU(24)：超过CPU限制信号
进程超过了其软CPU时间限制，产生此信号。
默认动作：终止+core。
SIGXFSZ(25)：超过文件长度限制信号
进程超过了其软文件长度限制，产生此信号。
默认动作：终止+core。
SIGVTALRM(26)：虚拟闹钟信号
以setitimer函数设置的虚拟间隔时间到期，产生此信号。
默认动作：终止。
SIGPROF(27)：虚拟梗概闹钟信号
以setitimer函数设置的虚拟梗概统计间隔时间到期，
产生此信号。
默认动作：终止。
SIGWINCH(28)：终端窗口大小改变信号
以ioctl函数更改窗口大小，产生此信号。
默认动作：忽略。
SIGIO(29)：异步I/O信号
指示一个异步I/O事件。
默认动作：终止。
SIGPWR(30)：电源失效信号
电源失效，产生此信号。
默认动作：终止。
SIGSYS(31)：非法系统调用异常。
指示一个无效的系统调用。
默认动作：终止+core。
4. 不可靠信号(非实时信号)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1) 那些建立在早期机制上的信号被称为“不可靠信号”。
小于SIGRTMIN(34)的信号都是不可靠信号。
2) 不支持排队，可能会丢失。同一个信号产生多次，
进程可能只收到一次该信号。
3) 进程每次处理完这些信号后，
对相应信号的响应被自动恢复为默认动作，
除非显示地通过signal函数重新设置一次信号处理程序。
5. 可靠信号(实时信号)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1) 位于[SIGRTMIN(34),
SIGRTMAX(64)]区间的信号都是可靠信号。
2) 支持排队，不会丢失。
3) 无论可靠信号还是不可靠信号，
都可以通过sigqueue/sigaction函数发送/安装，
以获得比其早期版本kill/signal函数更可靠的使用效果。
6. 信号的来源
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1) 硬件异常：除0、无效内存访问等。
这些异常通常被硬件(驱动)检测到，并通知系统内核。
系统内核再向引发这些异常的进程递送相应的信号。
2) 软件异常：通过
kill/raise/alarm/setitimer/sigqueue
函数产生的信号。
7. 信号处理
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1) 忽略。
2) 终止进程。
3) 终止进程同时产生core文件。
4) 捕获并处理。当信号发生时，
内核会调用一个事先注册好的用户函数(信号处理函数)。
范例：loop.c
# a.out
按中断键(Ctrl+C)，发送SIGINT(2)终端中断符信号。
# a.out
按退出键(Ctrl+\)，发送SIGQUIT(3)终端退出符信号。
二、signal
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#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t) (int);
sighandler_t signal (int signum,
sighandler_t handler);
signum - 信号码，也可使用系统预定义的常量宏，
如SIGINT等。
handler - 信号处理函数指针或以下常量：
SIG_IGN: 忽略该信号；
SIG_DFL: 默认处理。
成功返回原来的信号处理函数指针或SIG_IGN/SIG_DFL常量，
失败返回SIG_ERR。
1. 在某些Unix系统上，
通过signal函数注册的信号处理函数只一次有效，
即内核每次调用信号处理函数前，
会将对该信号的处理自动恢复为默认方式。
为了获得持久有效的信号处理，
可以在信号处理函数中再次调用signal函数，
重新注册一次。
例如：
void sigint (int signum) {
...
signal (SIGINT, sigint);
}
int main (void) {
...
signal (SIGINT, sigint);
...
}
2. SIGKILL/SIGSTOP信号不能被忽略，也不能被捕获。
3. 普通用户只能给自己的进程发送信号，
root用户可以给任何进程发送信号。
范例：signal.c
三、子进程的信号处理
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1. 子进程会继承父进程的信号处理方式，
直到子进程调用exec函数。
范例：fork.c
2. 子进程调用exec函数后，
exec函数将被父进程设置为捕获的信号恢复至默认处理，
其余保持不变。
范例：exec.c
四、发送信号
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1. 键盘
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Ctrl+C - SIGINT(2)，终端中断
Ctrl+\ - SIGQUIT(3)，终端退出
Ctrl+Z - SIGTSTP(20)，终端暂停
2. 错误
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除0 - SIGFPE(8)，算术异常
非法内存访问 - SIGSEGV(11)，段错误
硬件故障 - SIGBUS(7)，总线错误
3. 命令
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kill -信号 进程号
4. 函数
~~~~~~~
1) kill
#include <signal.h>
int kill (pid_t pid, int sig);
成功返回0，失败返回-1。
pid > 0 - 向pid进程发送sig信号。
pid = 0 - 向同进程组的所有进程发送信号。
pid = -1 - 向所有进程发送信号，
前提是调用进程有向其发送信号的权限。
pid < -1 - 向绝对值等于pid的进程组发信号。
0信号为空信号。
若sig取0，则kill函数仍会执行错误检查，
但并不实际发送信号。这常被用来确定一个进程是否存在。
向一个不存在的进程发送信号，会返回-1，且errno为ESRCH。
范例：kill.c
2) raise
#include <signal.h>
int raise (int sig);
向调用进程自身发送sig信号。成功返回0，失败返回-1。
范例：raise.c
五、pause
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#include <unistd.h>
int pause (void);
1. 使调用进程进入睡眠状态，
直到有信号终止该进程或被捕获。
2. 只有调用了信号处理函数并从中返回以后，
该函数才会返回。
3. 该函数要么不返回(未捕获到信号)，
要么返回-1(被信号中断)，
errno为EINTR。
4. 相当于没有时间限制的sleep函数。
范例：pause.c
六、sleep
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#include <unistd.h>
unsigned int sleep (unsigned int seconds);
1. 使调用进程睡眠seconds秒，
除非有信号终止该进程或被捕获。
2. 只有睡够seconds秒，
或调用了信号处理函数并从中返回以后，
该函数才会返回。
3. 该函数要么返回0(睡够)，
要么返回剩余秒数(被信号中断)。
4. 相当于有时间限制的pause函数。
范例：sleep.c
#include <unistd.h>
int usleep (useconds_t usec);
使调用进程睡眠usec微秒，
除非有信号终止该进程或被捕获。
成功返回0，失败返回-1。
七、alarm
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#include <unistd.h>
unsigned int alarm (unsigned int seconds);
1. 使内核在seconds秒之后，
向调用进程发送SIGALRM(14)闹钟信号。
范例：clock.c
2. SIGALRM信号的默认处理是终止进程。
3. 若之前已设过定时且尚未超时，
则调用该函数会重新设置定时，
并返回之前定时的剩余时间。
4. seconds取0表示取消之前设过且尚未超时的定时。
范例：alarm.c
八、信号集与信号阻塞(信号屏蔽)
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1. 信号集
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1) 多个信号的集合类型：
sigset_t，128个二进制位，每个位代表一个信号。
2) 相关函数
#include <signal.h>
// 将信号集set中的全部信号位置1
int sigfillset (sigset_t* set);
// 将信号集set中的全部信号位清0
int sigemptyset (sigset_t* set);
// 将信号集set中与signum对应的位置1
int sigaddset (sigset_t* set, int signum);
// 将信号集set中与signum对应的位清0
int sigdelset (sigset_t* set, int signum);
成功返回0，失败返回-1。
// 判断信号集set中与signum对应的位是否为1
int sigismember (const sigset_t* set, int signum);
若信号集set中与signum对应的位为1，则返回1，否则返回0。
范例：sigset.c
2. 信号屏蔽
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1) 当信号产生时，系统内核会在其所维护的进程表中，
为特定的进程设置一个与该信号相对应的标志位，
这个过程称为递送(delivery)。
2) 信号从产生到完成递送之间存在一定的时间间隔。
处于这段时间间隔中的信号状态，称为未决(pending)。
3) 每个进程都有一个信号掩码(signal mask)。
它实际上是一个信号集，
其中包括了所有需要被屏蔽的信号。
4) 可以通过sigprocmask函数，
检测和修改调用进程的信号掩码。
也可以通过sigpending函数，
获取调用进程当前处于未决状态的信号集。
5) 当进程执行诸如更新数据库等敏感任务时，
可能不希望被某些信号中断。
这时可以暂时屏蔽(注意不是忽略)这些信号，
使其滞留在未决状态。
待任务完成以后，再回过头来处理这些信号。
6) 在信号处理函数的执行过程中，
这个正在被处理的信号总是处于信号掩码中。
#include <signal.h>
int sigprocmask (int how, const sigset_t* set,
sigset_t* oldset);
成功返回0，失败返回-1。
how - 修改信号掩码的方式，可取以下值：
SIG_BLOCK: 新掩码是当前掩码和set的并集
(将set加入信号掩码)；
SIG_UNBLOCK: 新掩码是当前掩码和set补集的交集
(从信号掩码中删除set)；
SIG_SETMASK: 新掩码即set(将信号掩码设为set)。
set - NULL则忽略。
oset - 备份以前的信号掩码，NULL则不备份。
int sigpending (sigset_t* set);
set - 输出，调用进程当前处于未决状态的信号集。
成功返回0，失败返回-1。
注意：对于不可靠信号，
通过sigprocmask函数设置信号掩码以后，
相同的被屏蔽信号只会屏蔽第一个，
并在恢复信号掩码后被递送，其余的则直接忽略掉。
而对于可靠信号，
则会在信号屏蔽时按其产生的先后顺序排队，
一旦恢复信号掩码，这些信号会依次被信号处理函数处理。
范例：sigmask.c
九、sigaction
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#include <signal.h>
int sigaction (
int signum, // 信号码
const struct sigaction* act, // 信号处理方式
struct sigaction* oldact // 原信号处理方式
// (可为NULL)
);
struct sigaction {
void (*sa_handler) (int);
// 信号处理函数指针1
void (*sa_sigaction) (int, siginfo_t*, void*);
// 信号处理函数指针2
sigset_t sa_mask; // 信号掩码
int sa_flags; // 信号处理标志
void (*sa_restorer)(void);
// 保留，NULL
};
成功返回0，失败返回-1。
1. 缺省情况下，在信号处理函数的执行过程中，
会自动屏蔽这个正在被处理的信号，
而对于其它信号则不会屏蔽。
通过sigaction::sa_mask成员可以人为指定，
在信号处理函数的执行过程中，
需要加入进程信号掩码中的信号，
并在信号处理函数执行完之后，
自动解除对这些信号的屏蔽。
2. sigaction::sa_flags可为以下值的位或：
SA_ONESHOT/SA_RESETHAND - 执行完一次信号处理函数后，
即将对此信号的处理恢复为
默认方式(这也是老版本
signal函数的缺省行为)。
SA_NODEFER/SA_NOMASK - 在信号处理函数的执行过程中，
不屏蔽这个正在被处理的信号。
SA_NOCLDSTOP - 若signum参数取SIGCHLD，
则当子进程暂停时，
不通知父进程。
SA_RESTART - 系统调用一旦被signum参数
所表示的信号中断，
会自行重启。
SA_SIGINFO - 使用信号处理函数指针2，
通过该函数的第二个参数，
提供更多信息。
typedef struct siginfo {
pid_t si_pid; // 发送信号的PID
sigval_t si_value; // 信号附加值
// (需要配合sigqueue函数)
...
} siginfo_t;
typedef union sigval {
int sival_int;
void* sival_ptr;
} sigval_t;
范例：sigact.c
十、sigqueue
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#include <signal.h>
int sigqueue (pid_t pid, int sig,
const union sigval value);
向pid进程发送sig信号，附加value值(整数或指针)。
成功返回0，失败返回-1。
范例：sigque.c
注意：sigqueue函数对不可靠信号不做排队，会丢失信号。
十一、计时器
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1. 系统为每个进程维护三个计时器
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1) 真实计时器：
程序运行的实际时间。
2) 虚拟计时器：
程序运行在用户态所消耗的时间。
3) 实用计时器：
程序运行在用户态和内核态所消耗的时间之和。
实际时间(真实计时器) = 用户时间(虚拟计时器) + 内核时间 + 睡眠时间
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(实用计时器)
2. 为进程设定计时器
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1) 用指定的初始间隔和重复间隔为进程设定好计时器后，
该计时器就会定时地向进程发送时钟信号。
2) 三个计时器所发送的时钟信号分别为：
SIGALRM - 真实计时器
SIGVTALRM - 虚拟计时器
SIGPROF - 实用计时器
3) 获取/设置计时器
#include <sys/time.h>
int getitimer (int which,
struct itimerval* curr_value);
获取计时器设置。成功返回0，失败返回-1。
int setitimer (int which,
const struct itimerval* new_value,
struct itimerval* old_value);
设置计时器。成功返回0，失败返回-1。
which - 指定哪个计时器，取值：
ITIMER_REAL: 真实计时器；
ITIMER_VIRTUAL: 虚拟计时器；
ITIMER_PROF: 实用计时器。
curr_value - 当前设置。
new_value - 新的设置。
old_value - 旧的设置(可为NULL)。
struct itimerval {
struct timeval it_interval;
// 重复间隔(每两个时钟信号的时间间隔)，
// 取0将使计时器在发送第一个信号后停止
struct timeval it_value;
// 初始间隔(从调用setitimer函数到第一次发送
// 时钟信号的时间间隔)，取0将立即停止计时器
};
struct timeval {
long tv_sec; // 秒数
long tv_usec; // 微秒数
};
范例：timer.c
