淺談Linux信號機制

目錄一、信號列表

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root@ubuntu:# kill -l

 1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP

 6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL10) SIGUSR1

11) SIGSEGV12) SIGUSR213) SIGPIPE14) SIGALRM15) SIGTERM

16) SIGSTKFLT17) SIGCHLD18) SIGCONT19) SIGSTOP20) SIGTSTP

21) SIGTTIN22) SIGTTOU23) SIGURG24) SIGXCPU25) SIGXFSZ

26) SIGVTALRM27) SIGPROF28) SIGWINCH29) SIGIO30) SIGPWR

31) SIGSYS34) SIGRTMIN35) SIGRTMIN+136) SIGRTMIN+237) SIGRTMIN+3

38) SIGRTMIN+439) SIGRTMIN+540) SIGRTMIN+641) SIGRTMIN+742) SIGRTMIN+8

43) SIGRTMIN+944) SIGRTMIN+1045) SIGRTMIN+1146) SIGRTMIN+1247) SIGRTMIN+13

48) SIGRTMIN+1449) SIGRTMIN+1550) SIGRTMAX-1451) SIGRTMAX-1352) SIGRTMAX-12

53) SIGRTMAX-1154) SIGRTMAX-1055) SIGRTMAX-956) SIGRTMAX-857) SIGRTMAX-7

58) SIGRTMAX-659) SIGRTMAX-560) SIGRTMAX-461) SIGRTMAX-362) SIGRTMAX-2

63) SIGRTMAX-164) SIGRTMAX

其中最常見的:

Ctrl + C 觸發(fā)的是 SIGINT; Ctrl + \ 觸發(fā)的是SIGQUIT; 但是特別說明下 Ctrl + D 并不是觸發(fā)信號，而是產(chǎn)生一個 EOF，這也是為什么在 Python 交互模式按下這個組合會退出 Python 的原因。1.1、實時信號非實時信號

如上，kill列舉出所有信號。實時信號與非實時信號又叫做可靠信號與不可靠信號。SIGRTMIN 及其以后的是實時信號，之前的是非實時信號。區(qū)別是實時信號支持重復(fù)排隊，但是非實時信號不支持。非實時信號在排隊時候會默認(rèn)只出現(xiàn)一次，意思就是即使多次發(fā)送也終將只收到一個。在隊列的取出順序上也有區(qū)別，即最先取出的信號一定是實時信號。

PS：

kill、killall 默認(rèn)發(fā)送SIGTERM 信號。 linux下 SIGKILL不能被阻塞、或忽略。 默認(rèn)情況下 SIGCHLD 不被忽略，編程時候需要注意這個（要么設(shè)置 SIG_IGN 或者主動 wait）。 所有未定義處理函數(shù)的信號，默認(rèn)退出進程。 信號被設(shè)置block后仍存在于隊列中只是不被處理，如果放開屏蔽將會被處理。 信號可以中斷sleep調(diào)用引起睡眠的進程。1.2、信號狀態(tài)

信號的”未決“是一種狀態(tài)，指的是從信號的產(chǎn)生到信號被處理前的這一段時間；信號的”阻塞“是一個開關(guān)動作，指的是阻止信號被處理，但不是阻止信號產(chǎn)生。

例如在sleep前用 sigprocmask 阻塞了退出信號，然后sleep,然后在sleep的過程中產(chǎn)生一個退出信號，但是此時退出信號被阻塞過，（中文的”阻塞”在這里容易被誤解為一種狀態(tài)，實際上是一種類似于開關(guān)的動作，所以說“被阻塞過”，而不是“被阻塞”）所以處于“未決”狀態(tài)，在 sleep后又用sigprocmask關(guān)掉退出信號的阻塞開關(guān)，因為之前產(chǎn)生的退出信號一直處于未決狀態(tài)，當(dāng)關(guān)上阻塞開關(guān)后，馬上退出“未決”狀態(tài)，得到處理，這一切發(fā)生在sigprocmask返回之前。

1.3、信號生命周期

對于一個完整的信號生命周期(從信號發(fā)送到相應(yīng)的處理函數(shù)執(zhí)行完畢)來說，可以分為三個重要的階段，這三個階段由四個重要事件來刻畫：

1.信號誕生；

2. 信號在進程中注冊完畢；

3.信號在進程中的注銷完畢；

4.信號處理函數(shù)執(zhí)行完畢。相鄰兩個事件的時間間隔構(gòu)成信號生命周期的一個階段。

下面闡述四個事件的實際意義：

信號"誕生"。信號的誕生指的是觸發(fā)信號的事件發(fā)生（如檢測到硬件異常、定時器超時以及調(diào)用信號發(fā)送函數(shù)kill()或sigqueue()等）。 信號在目標(biāo)進程中"注冊"；進程的task_struct結(jié)構(gòu)中有關(guān)于本進程中未決信號的數(shù)據(jù)成員：struct sigpending pending;struct sigpending{ struct sigqueue *head, **tail; sigset_t signal;};

信號在進程中注冊指的就是信號值加入到進程的未決信號集中（sigpending結(jié)構(gòu)的第二個成員sigset_t signal），并且信號所攜帶的信息被保留到未決信號信息鏈的某個sigqueue結(jié)構(gòu)中。只要信號在進程的未決信號集中，表明進程已經(jīng)知道這些信號的存在，但還沒來得及處理，或者該信號被進程阻塞。

1.信號在進程中的注銷。在目標(biāo)進程執(zhí)行過程中，會檢測是否有信號等待處理（每次從系統(tǒng)空間返回到用戶空間時都做這樣的檢查）。如果存在未決信號等待處理且該信號沒有被進程阻塞，則在運行相應(yīng)的信號處理函數(shù)前，進程會把信號在未決信號鏈中占有的結(jié)構(gòu)卸掉。是否將信號從進程未決信號集中刪除對于實時與非實時信號是不同的。對于非實時信號來說，由于在未決信號信息鏈中最多只占用一個sigqueue結(jié)構(gòu)，因此該結(jié)構(gòu)被釋放后，應(yīng)該把信號在進程未決信號集中刪除（信號注銷完畢）；而對于實時信號來說，可能在未決信號信息鏈中占用多個sigqueue結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)該針對占用gqueue結(jié)構(gòu)的數(shù)目區(qū)別對待：如果只占用一個sigqueue結(jié)構(gòu)（進程只收到該信號一次），則應(yīng)該把信號在進程的未決信號集中刪除（信號注銷完畢）。否則，不在進程的未決信號集中刪除該信號（信號注銷完畢）。進程在執(zhí)行信號相應(yīng)處理函數(shù)之前，首先要把信號在進程中注銷。

2.信號生命終止。進程注銷信號后，立即執(zhí)行相應(yīng)的信號處理函數(shù)，執(zhí)行完畢后，信號的本次發(fā)送對進程的影響徹底結(jié)束。

1.4、信號的執(zhí)行和注銷

內(nèi)核處理一個進程收到的軟中斷信號是在該進程的上下文中，因此，進程必須處于運行狀態(tài)。當(dāng)其由于被信號喚醒或者正常調(diào)度重新獲得CPU時，在其從內(nèi)核空間返回到用戶空間時會檢測是否有信號等待處理。如果存在未決信號等待處理且該信號沒有被進程阻塞，則在運行相應(yīng)的信號處理函數(shù)前，進程會把信號在未決信號鏈中占有的結(jié)構(gòu)卸掉。當(dāng)所有未被屏蔽的信號都處理完畢后，即可返回用戶空間。對于被屏蔽的信號，當(dāng)取消屏蔽后，在返回到用戶空間時會再次執(zhí)行上述檢查處理的一套流程。

處理信號有三種類型：進程接收到信號后退出；進程忽略該信號；進程收到信號后執(zhí)行用戶設(shè)定用系統(tǒng)調(diào)用signal的函數(shù)。當(dāng)進程接收到一個它忽略的信號時，進程丟棄該信號，就象沒有收到該信號似的繼續(xù)運行。如果進程收到一個要捕捉的信號，那么進程從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時執(zhí)行用戶定義的函數(shù)。而且執(zhí)行用戶定義的函數(shù)的方法很巧妙，內(nèi)核是在用戶棧上創(chuàng)建一個新的層，該層中將返回地址的值設(shè)置成用戶定義的處理函數(shù)的地址，這樣進程從內(nèi)核返回彈出棧頂時就返回到用戶定義的函數(shù)處，從函數(shù)返回再彈出棧頂時，才返回原先進入內(nèi)核的地方。這樣做的原因是用戶定義的處理函數(shù)不能且不允許在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行（如果用戶定義的函數(shù)在內(nèi)核態(tài)下運行的話，用戶就可以獲得任何權(quán)限）。

eg：

#include <assert.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <signal.h>#include <unistd.h>void myHandler(int num){ int ret = 0; if (SIGUSR1 == num) { sigset_t set; ret = sigemptyset(&set); assert(!(-1 == ret)); ret = sigaddset(&set, SIGINT); assert(!(-1 == ret)); ret = sigaddset(&set, SIGRTMIN); assert(!(-1 == ret)); ret = sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL); assert(!(-1 == ret)); printf("解除阻塞 recv sig num: %d\n", num); } else if (num == SIGINT || num == SIGRTMIN) { printf("recv sig num: %d\n", num); } else { printf(" 其他信號recv sig num: %d\n", num); }}int main(void){ pid_t pid; int ret = 0; // 設(shè)置回調(diào)函數(shù) struct sigaction act; act.sa_handler = myHandler; act.sa_flags = SA_SIGINFO; // 注冊非實時信號的處理函數(shù) ret = sigaction(SIGINT, &act, NULL); assert(!(-1 == ret)); // 注冊實時信號的處理函數(shù) ret = sigaction(SIGRTMIN, &act, NULL); assert(!(-1 == ret)); // 注冊用戶自定義信號 ret = sigaction(SIGUSR1, &act, NULL); assert(!(-1 == ret)); // 把 SIGINT SIGRTMIN 軍添加到阻塞狀態(tài)字中 sigset_t set; ret = sigemptyset(&set); assert(!(-1 == ret)); ret = sigaddset(&set, SIGINT); assert(!(-1 == ret)); ret = sigaddset(&set, SIGRTMIN); assert(!(-1 == ret)); ret = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL); assert(!(-1 == ret)); pid = fork(); assert(!(-1 == ret)); if (0 == pid) { union sigval value; value.sival_int = 10; int i = 0; // 發(fā)三次不穩(wěn)定信號 for (i = 0; i < 3; i++) { ret = sigqueue(getppid(), SIGINT, value); assert(!(-1 == ret)); printf("發(fā)送不可靠信號 ok\n"); } // 發(fā)三次穩(wěn)定信號 value.sival_int = 20; for (i = 0; i < 3; i++) { ret = sigqueue(getppid(), SIGRTMIN, value); assert(!(-1 == ret)); printf("發(fā)送可靠信號ok\n"); } // 向父進程發(fā)送 SIGUSR1 解除阻塞 ret = kill(getppid(), SIGUSR1); assert(!(-1 == ret)); } while (1) { sleep(1); } return 0;}二、信號掩碼和信號處理函數(shù)的繼承2.1、信號處理函數(shù)的繼承

信號處理函數(shù)是進程屬性，所以進程里的每個線程的信號處理函數(shù)是相同的。通過fork創(chuàng)建的子進程會繼承父進程的信號處理函數(shù)。execve 后設(shè)置為處理的信號處理函數(shù)會被重置為默認(rèn)函數(shù)，設(shè)置為忽略的信號保持不變。意思是如果父進程里信號設(shè)置處理為SIG_IGN，那么等到子進程被exec了，這個信號的處理還是被忽略，不會重置為默認(rèn)函數(shù)。

eg：

// test.c --> test#include <stdlib.h> typedef void (*sighandler_t)(int);static sighandler_t old_int_handler; static sighandler_t old_handlers[SIGSYS + 1]; void sig_handler(int signo){ printf("receive signo %d\n",signo); old_handlers[signo](signo);} int main(int argc, char **argv){ old_handlers[SIGINT] = signal(SIGINT, SIG_IGN); old_handlers[SIGTERM] = signal(SIGTERM, sig_handler); int ret; ret = fork(); if (ret == 0) { //child // 這里execlp將運行 test2 作為子進程。 execlp("/tmp/test2", "/tmp/test2",(char*)NULL); }else if (ret > 0) { //parent while(1) { sleep(1); } }else{ perror(""); abort(); } } ================================================test2.c --> test2#include <stdio.h>int main(int argc, char **argv){ while(1) { sleep(1); } return 0;}

結(jié)論：test換成test2后，SIGINT的處理方式還是忽略，SIGTERM被重置為默認(rèn)的方式。

2.2、信號掩碼的繼承

信號掩碼有以下規(guī)則：

1.每個線程可以有自己信號掩碼。

2.fork出來的子進程會繼承父進程的信號掩碼，exec后信號掩碼保持不變。如果父進程是多線程，那么子進程只繼承主線程的掩碼。

3.針對進程發(fā)送的信號，會被任意的沒有屏蔽該信號的線程接收，注意只有一個線程會隨機收到。linux下如果都可以所有線程都可以接收信號，那么信號將默認(rèn)發(fā)送到主線程，posix系統(tǒng)是隨機發(fā)送。

4.fork之后子進程里pending的信號集初始化為空，exec會保持pending信號集。

#include <stdio.h>#include <signal.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h> typedef void (*sighandler_t)(int); static void *thread1(void *arg){ sigset_t set; printf("in thread1\n"); sigemptyset(&set); sigaddset(&set, SIGTERM); pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL); while(1) { sleep(1); }} static void sigset_print(sigset_t *set){ int i; for (i = 1; i <= SIGSYS; i++) { if (sigismember(set, i)) { printf("signal %d is in set\n",i); } }} int main(int argc, char **argv){ int ret; sigset_t set; pthread_t pid; pthread_create(&pid, NULL, thread1, NULL); sleep(1); sigemptyset(&set); sigaddset(&set, SIGINT); pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL); ret = fork(); if (ret == 0) { //child pthread_sigmask(SIG_BLOCK, NULL, &set); sigset_print(&set); while(1) { sleep(1); } }else if (ret > 0) { //parent while(1) { sleep(1); } }else{ perror(""); abort(); } }

結(jié)論：只有在主線程里設(shè)置的掩碼才被子進程繼承了。這里面的原因在于linux里的fork只是復(fù)制了調(diào)用fork()的那個線程，因此在子進程里只有父進程的主線程被拷貝了，當(dāng)然信號掩碼就是父進程的主線程的信號掩碼的復(fù)制了。再次驗證證明，如果是在thread1里調(diào)用fork，那么子進程的信號掩碼就會是thread1的拷貝了。

2.3、sigwait 與多線程

sigwait函數(shù)：sigwait等一個或者多個指定信號發(fā)生。

它所做的工作只有兩個：

第一，監(jiān)聽被阻塞的信號；

第二，如果所監(jiān)聽的信號產(chǎn)生了，則將其從未決隊列中移出來。sigwait并不改變信號掩碼的阻塞與非阻塞狀態(tài)。

在POSIX標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)進程收到信號時，如果是多線程的情況，我們是無法確定是哪一個線程處理這個信號。而sigwait是從進程中pending的信號中，取走指定的信號。這樣的話，如果要確保sigwait這個線程收到該信號，那么所有線程含主線程以及這個sigwait線程則必須block住這個信號，因為如果自己不阻塞就沒有未決狀態(tài)(阻塞狀態(tài))信號，別的所有線程不阻塞就有可能當(dāng)信號過來時，被其他的線程處理掉。

PS：

在多線程代碼中，總是使用sigwait或者sigwaitinfo或者sigtimedwait等函數(shù)來處理信號。而不是signal或者sigaction等函數(shù)。因為在一個線程中調(diào)用signal或者sigaction等函數(shù)會改變所以線程中的信號處理函數(shù)，而不是僅僅改變調(diào)用signal/sigaction的那個線程的信號處理函數(shù)。

2.4、多進程下的信號

多進程下鍵盤觸發(fā)的信號會同時發(fā)送到當(dāng)前進程組的所有進程。如果一個程序在執(zhí)行時 fork 了多個子進程，那么按鍵觸發(fā)的信號將會被這個程序的所有進程收到。

但是與多線程不一樣，多進程下的信號掩碼和信號處理函數(shù)是獨立的。每個進程都可以選擇處理或者不處理，也可以設(shè)置自己的信號掩碼。

#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <unistd.h>#include <signal.h>int main(int argc, char **argv){ pid_t pid = fork(); signal(SIGCHLD, SIG_IGN); if (pid < 0) printf("error fork\n"); else if (pid == 0) { signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略 SIGINT，這樣 ctrl+c 后子進程能活下來; 不設(shè)置的話，收到信號將退出 printf("child gid = %ld\n", getpgid(getpid())); do { sleep(1); } while (1); } else { printf("parent gid = %ld\n", getpgid(getpid())); do { sleep(1); } while (1); } return 0;}

如上圖，可以看到，收到SIGINT 后父進程退出，子進程因為設(shè)置了忽略 SIGINT 所以子進程沒有受到影響。

三、apis3.1、信號發(fā)生函數(shù)

1.kill(pid_t pid, int signum);

2.int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

3.pthread_kill(pthread_t tid, int signum);

4.raise(int signum);// 發(fā)送信號到自己

5.void alarm(void);

6.void abort(void);

7.int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

PS：

sigqueue()比kill()傳遞了更多的附加信息，但sigqueue()只能向一個進程發(fā)送信號，而不能發(fā)送信號給一個進程組。如果signo=0，將會執(zhí)行錯誤檢查，但實際上不發(fā)送任何信號，0值信號可用于檢查pid的有效性以及當(dāng)前進程是否有權(quán)限向目標(biāo)進程發(fā)送信號。

3.2、信號處理函數(shù)

1.signal(int signum, void (*handler)(int signum))

2.sigaction(int signum, struct sigaction* newact, sigaction* oldact)

sigaction act;act.sa_handler = handler;act.sa_flags = SA_SIGINFO;// 注冊信號的處理函數(shù)sigaction(SIGINT, act, NULL);3.3、信號掩碼函數(shù)

1.sigprocmask(int how, struct sigaction* set,struct sigaction* oldset)

2.pthread_sigmask(int how, struct sigaction* set,struct sigaction* oldset)

sigprocmask用于設(shè)置進程的信號掩碼，pthread_sigmask用于設(shè)置線程的信號掩碼，二者參數(shù)相同。第一個參數(shù)有SIG_BLOCK, SIG_UNBLOCK, SIG_SETMASK。

3.4、信號集合變量

sigset_t set

sigemptyset(&set) //清空阻塞信號集合變量

sigfillset(&set)  //添加所有的信號到阻塞集合變量里

sigaddset(&set,SIGINT) //添加單一信號到阻塞信號集合變量

sigdelset(&set,SIGINT) //從阻塞信號集合變量中刪除單一信號

sigismember(&set，int signum) //測試信號signum是否包含在信號集合set中，如果包含返回1，不包含返回0，出錯返回-1。錯誤代碼也只有一個EINVAL，表示signum不是有效的信號代碼。

3.5、信號屏蔽函數(shù)

1.int sigpending(sigset_t *set); // 返回阻塞的信號集

2.int sigsuspend(const sigset_t *mask);

sigsuspend表示臨時將信號屏蔽字設(shè)為mask，并掛起進程直到有信號產(chǎn)生(非屏蔽信號才能喚醒或終止進程)，如果信號處理函數(shù)返回，那么siguspend將恢復(fù)之前的信號屏蔽字(temporarily)

假設(shè)sisuspend阻塞進程時產(chǎn)生了信號A，且A不是mask內(nèi)的屏蔽信號，那么A的信號處理函數(shù)有兩種情形，

一：直接終止進程，此時進程都不存在了，那么sigsuspend當(dāng)然無須返回了(不存在進程了sigsuspend也不存在了,函數(shù)棧嘛);

二：如果信號A的處理函數(shù)返回，那么信號屏蔽字恢復(fù)到sigsuspend之前的(sigsuspend調(diào)用時將信號屏蔽字設(shè)為mask，所以要恢復(fù)到sigsuspend調(diào)用之前的)，然后sigsuspend返回-1并將error置為EINTR.

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