Linux系统编程—信号

信号本质

软中断信号（signal，又简称为信号）用来通知进程发生了异步事件。在软件层次上是对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。信号机制除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。

信号的处理方式

收到信号的进程对各种信号有不同的处理方法。处理方法可以分为三类：

1、类似中断的处理程序，对于需要处理的信号，进程可以指定处理函数，由该函数来处理。
2、忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就象未发生过一样。
3、对该信号的处理保留系统的默认值，这种缺省操作，对大部分的信号的缺省操作是使得进程终止。进程通过系统调用signal来指定进程对某个信号的处理行为。

信号的种类

可以从两个不同的分类角度对信号进行分类：

可靠性方面：可靠信号与不可靠信号；
与时间的关系上：实时信号与非实时信号。

1、可靠信号与不可靠信号

Linux信号机制基本上是从Unix系统中继承过来的。早期Unix系统中的信号机制比较简单和原始，信号值小于SIGRTMIN的信号都是不可靠信号。这就是"不可靠信号"的来源。它的主要问题是信号可能丢失。但实践证明了有必要对信号的原始机制加以改进和扩充。由于原来定义的信号已有许多应用，不好再做改动，最终只好又新增加了一些信号，并在一开始就把它们定义为可靠信号，这些信号支持排队，不会丢失。

信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号，可靠信号克服了信号可能丢失的问题。Linux在支持新版本的信号注册函数sigaction()以及信号注册函数sigqueue()的同时，仍然支持早期的signal()信号注册函数，支持信号发送函数kill()。

信号的可靠与不可靠只与信号值有关，与信号的发送及安装函数无关。目前linux中的signal()是通过sigation()函数实现的，因此，即使通过signal()注册的信号，在信号处理函数的结尾也不必再调用一次信号注册函数。同时，由signal()安装的实时信号支持排队，同样不会丢失。

2、实时信号与非实时信号

早期Unix系统只定义了32种信号，前32种信号已经有了预定义值，每个信号有了确定的用途及含义，并且每种信号都有各自的缺省动作。如按键盘的CTRL + C时，会产生SIGINT信号，对该信号的默认反应就是进程终止。后32个信号表示实时信号，等同于前面阐述的可靠信号。这保证了发送的多个实时信号都被接收。

对于目前linux的两个信号注册函数：signal()及sigaction()来说，它们都不能把SIGRTMIN以前的信号变成可靠信号（都不支持排队，仍有可能丢失，仍然是不可靠信号），而且对SIGRTMIN以后的信号都支持排队。这两个函数的最大区别在于，经过sigaction安装的信号都能传递信息给信号处理函数，而经过signal安装的信号不能向信号处理函数传递信息。对于信号发送函数来说也是一样的。

信号处理流程

对于一个完整的信号生命周期(从信号发送到相应的处理函数执行完毕)来说，可以分为三个阶段：
1、信号诞生
2、信号在进程中注册
3、信号的执行和注销

信号诞生

信号事件的发生有两个来源：硬件来源(比如我们按下了键盘或者其它硬件故障)；软件来源，最常用发送信号的系统函数是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函数，软件来源还包括一些非法运算等操作。

这里按发出信号的原因简单分类，以了解各种信号：
（1） 与进程终止相关的信号。当进程退出，或者子进程终止时，发出这类信号。
（2） 与进程例外事件相关的信号。如进程越界，或企图写一个只读的内存区域（如程序正文区），或执行一个特权指令及其他各种硬件错误。
（3） 与在系统调用期间遇到不可恢复条件相关的信号。如执行系统调用exec时，原有资源已经释放，而目前系统资源又已经耗尽。
（4） 与执行系统调用时遇到非预测错误条件相关的信号。如执行一个并不存在的系统调用。
（5） 在用户态下的进程发出的信号。如进程调用系统调用kill向其他进程发送信号。
（6） 与终端交互相关的信号。如用户关闭一个终端，或按下break键等情况。
（7） 跟踪进程执行的信号。

Linux支持的信号列表如下。很多信号是与机器的体系结构相关的
Term：终止进程
Ign：忽略该信号
Core：终止进程并保存内存信息
Stop：停止进程
Cont：有停止就有恢复进程

image.png

键盘快捷键

键盘快捷键主要有 3 种：
Ctrl + C (相当于发送信号 2， SIGINT)
Ctrl + Z (相当于发送信号 20， SIGTSTP)
Ctrl + \ (相当于发送信号 3，SIGQUIT)

信号的注册安装

如果进程要处理某一信号，那么就要在进程中注册安装该信号。注册安装信号主要用来确定信号值及进程针对该信号值的动作之间的映射关系，即进程将要处理哪个信号；该信号被传递给进程时，将执行何种操作。

linux主要有两个函数实现信号的安装：signal()、sigaction()。其中signal()只有两个参数，不支持信号传递信息，主要是用于前32种非实时信号的安装；而sigaction()是较新的函数（由两个系统调用实现：sys_signal以及sys_rt_sigaction），有三个参数，支持信号传递信息，主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用，当然，sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。

signal 函数

函数原型

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数 signum：指示了你需要捕捉哪个信号。
参数 handler：是函数指针。一般来说，参数里有函数指针的函数，称之为“注册”函数，而指针指向的那个函数，称之为“回调函数”。
回调的意思是指不需要你亲自调用，而是由别人（一般来说是操作系统）调用。这是一种常见的编程技巧。
返回值：signal 的返回值表示旧的信号处理函数。如果返回值等于 SIG_ERR 说明注册失败。

signal处理信号的简单例程：
需求：捕捉了SIGUSR1, SIGUSR2, SIGINT, SIGTSTP, SIGQUIT 以及 SIGSEGV 信号，sighandler 函数是自己编写的信号处理函数，这个函数必须以 void 返回，并且带一个 int 参数。
主函数主要做了三件事：
1、打印自己的进程 id 号
2、注册完所有你想捕捉的信号
3、每隔 10 秒打一个点。

#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

void sighandler(int sig) {
    switch(sig) {
    case SIGUSR1:
        printf("hello SIGUSR1！\n");break;
    case SIGUSR2:
        printf("hello SIGUSR2！\n");break;
    case SIGINT:
        printf("别妄想干掉我！\n");break;
    case SIGTSTP:
        printf("不能停止我！\n");break;
    case SIGQUIT:
        printf("我就是不退出！\n");break;
    case SIGSEGV:
        printf("啊哦！程序出bug了！\n");break;
    default:
        printf("hello, who are you %d?\n", sig);
    }
    sleep(2); // 删除这一行，再给程序发信号，看看 main 函数打点的情况。
}


int main() {
    printf("I'm %d\n", getpid());
    
    if (SIG_ERR == signal(SIGUSR1, sighandler)) {
        perror("signal SIGUSR1");
    }
    if (SIG_ERR == signal(SIGUSR2, sighandler)) {
        perror("signal SIGUSR2");
    }
    if (SIG_ERR == signal(SIGINT, sighandler)) {
        perror("signal SIGINT");
    }
    if (SIG_ERR == signal(SIGTSTP, sighandler)) {
        perror("signal SIGTSTP");
    }
    if (SIG_ERR == signal(SIGQUIT, sighandler)) {
        perror("signal SIGQUTI");
    }
    if (SIG_ERR == signal(SIGSEGV, sighandler)) {
        perror("signal SIGSEGV");
    }
    
    while(1) {
        write(STDOUT_FILENO, ".", 1); 
        sleep(10);
    }   
    return 0;
}

程序运行起来后，你可以试试快捷键 Ctrl + C、Ctrl + Z 以及 Ctrl + \，看看你的进程有何反应。
你也可以再打开一个终端，使用 kill 命令发送信号给你的进程。

提示：kill -9 pid 可以终结你的进程。所有信号 9 被称为——终结者。

注意：
1、SIGKILL 和 SIGSTOP 信号无法被捕获
2、信号会打断某些（不支持自动重启的函数）正在阻塞的函数

sigaction函数

不同于 signal 函数，sigaction 函数是符合 POSIX 标准的，而 signal 只是 ANSI C 定义的函数。

除了上面的区别外， sigaction 提供了更多的功能。比如它可以处理带参数的信号，在信号处理的时候，可以屏蔽其它信号等等。

函数原型

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

参数 signum ：要捕获的信号。
参数 act：struct sigaction 结构体，它保存了信号处理函数指针等等，后面具体讲解。
参数 oldact：返回旧的 struct sigaction 结构体。
返回值：返回 0 成功，-1 失败

struct sigaction 结构体

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

sa_handler : 不带附加参数的信号处理函数指针
sa_sigaction: 带有附加参数的信号处理函数指针（两个信号处理函数指针只能二选一）
sa_mask: 在执行信号处理函数时，应该屏蔽掉哪些信号
sa_flags: 用于控制信号行为，它的值可以是下面选项的组合。
1）SA_NOCLDSTOP : 当捕获 SIGCHLD 时，不接收子进程停止的通知。
2）SA_NOCLDWAIT：当捕获 SIGCHLD 时，收子进程在退出时不变成僵尸进程。
3）SA_NODEFER：当该信号处理函数执行时，不阻塞该信号。
4）SA_ONESTACK：在指定的栈（signaltstack 函数指定）上执行信号处理函数。
5）SA_RESETHAND：在进入信号处理函数入口点处恢复该信号的处理函数为默认函数。
6）SA_RESTART：由此信号中断的系统调用是否要再启动
7）SA_SIGINFO：如果指定该选项，则向信号处理函数传递参数（这时应该使用 sa_sigaction 成员而不是 sa_handler）.
sa_restorer：该成员在早期是用来清理函数栈的，如今已被废弃不用。

sigaction处理信号的简单例程：
需求：程序注册了信号 SIGINT 和 SIGTSTP，sa_mask 被设置为 SIGINT，表示当执行信号处理函数的时候，阻塞信 SIGINT 信号。在 handler 函数加入了一打印未决信号的功能，以验证执行到 handler 的时候发送 SIGINT 是被阻塞住的。

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

void printsigset(const sigset_t *set)
{
  for (int i = 1; i <= 64; i++) {
    if (i==33) putchar(' ');
    if (sigismember(set, i) == 1)
      putchar('1');
    else
      putchar('0');
  }
  puts("");
}

void handler(int sig) {
  if (sig == SIGTSTP) printf("hello SIGTSTP\n");  
  if (sig == SIGINT) printf("hello SIGINT\n");  
  sleep(5);
  sigset_t st; 
  sigpending(&st);
  printsigset(&st);
}

int main() {
  printf("I'm %d\n", getpid());
  struct sigaction act, oldact;
  act.sa_handler = handler; // 设置普通信号处理函数

  // 向 sa_mask 中添加 SIGINT
  sigemptyset(&act.sa_mask); 
  sigaddset(&act.sa_mask, SIGINT);
  act.sa_flags = 0; // 先置 0

  sigaction(SIGTSTP, &act, &oldact);
  sigaction(SIGINT, &act, &oldact);

  while(1) {
    write(STDOUT_FILENO, ".", 1); 
    pause();
  }

  return 0;
}

当程序运行的时候，Ctrl C 进入 handler，然后立即 Ctrl Z 发现 handler 还未执行完就被 SIGTSTP 打断.
当程序运行的时候，Ctrl Z 进入 handler，然后立即 Ctrl C 发现并不会被 SIGINT 打断，这是因为该 handler

注册的时候被设置了 SA_MASK = SIGINT。最后 handler 结束的时候打印了未决信号集，发现里头有 SIGINT。所以 handler 结束后，又去继续对 SIGINT 进行处理。

注意：在 sa_mask 里屏蔽了 SIGINT，然后运行程序直接按下 Ctrl C，发现屏蔽打印 hello SIGINT，这完全正常。sa_mask 的含义是 “在执行信号处理函数时，应该屏蔽掉哪些信号”。