信号处理机制详解-CSDN博客

本文链接：https://blog.csdn.net/djcxym/article/details/79880349

1、概述

信号是事件发生时对进程的通知机制，有时也称之为软件中断，会中断程序的正常执行流程。进程能够向自己也可以向其它进程发送信号，多数情况下信号都是源于内核，引发内核产生信号的事件可能有以下几种：

硬件发生异常。硬件异常的例子包括执行一条异常的机器语言指令，诸如被0除，引用无法访问的内存等。
键入能产生信号的字符。如ctrl+c等
发生了软件事件。比如子进程退出，定时器到期等。

信号到达后，进程视具体信号执行如下默认动作：

忽略信号
终止进程
产生核心转储文件，同时终止进程
停止进程
恢复执行之前停止的进程
除了采取默认行为之外，程序也能改变信号到达时的响应行为，程序可将对信号的处置设置为如下之一：
采取默认行为。这适用于恢复之前对信号处置的修改
忽略信号
执行信号处理程序

2、信号类型

Linux对标准信号编号为1-31，Linux手册中列出的信号名称超出了31个，原因是有些名称是其它名称的同义词，有些虽然有定义却并未使用。下面表中列出了这些信号及其描述：
这里写图片描述

3、信号处理器

有两种方法设置信号处理器：signal和sigaction。signal系统调用是设置信号处理器的原始API，接口比sigaction简单但也缺少一些sigaction具备的功能，同时不同实现之间也存在差异，有损可移植性。因此sigaction是建立信号处理程序的首选API。

#include <signal.h>

void (*signal(int sig, void (*handler)(int)))(int);

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

signal()

signal函数接口中，第一个参数sig标识希望修改的信号编号，第二个参数handler则表示信号处理器函数的地址，该函数接收一个整形参数，无返回值。指定handler参数时，也可以使用SIG_DFL和SIG_IGN代替，前者表示将信号处理重置为默认值，后者表示忽略该信号。signal()调用成功会返回之前的信号处理器，可能是之前用signal安装的，也可能是SIG_DFL和SIG_IGN之一，发生错误时返回SIG_ERR。调用信号处理器函数会打断主程序流程，当处理器函数返回时，主程序会在打断的位置恢复执行。如图：
这里写图片描述

内核调用信号处理器函数时，会将引发调用的信号编号作为参数传递给信号处理器函数，当为多个信号建立相同的信号处理器函数时可以用来作区分。如下代码，为SIGINT和SIGQUIT信号建立同一处理器函数。

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

using namespace std;

static void sigHandler(int sig)
{
    if(sig == SIGINT)
        cout<<"Got signal SIGINT"<<endl;
    if(sig == SIGQUIT)
        cout<<"Got signal SIGQUIT"<<endl;
}

int main()
{
    if(signal(SIGINT, sigHandler) == SIG_ERR)
        cout<<"signal SIGINT error"<<endl;

    if(signal(SIGQUIT, sigHandler) == SIG_ERR)
        cout<<"signal SIGINT error"<<endl;

    for(;;)
        pause();
}

这里写图片描述

sigaction()

sigaction是设置信号处理器的另一选择，其允许在获取当前信号处理器的同时无需将其改变（signal无法做到）。参数sig标识要获取或改变的信号编号，可以是除SIGKILL和SIGSTOP之外的任何信号。act和oldact是指向新的和旧有信号处置的数据结构，如果不感兴趣可以置为NULL。sigaction结构如下：

struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);
    sitset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
}

sa_handler字段与singal()的handler参数相同。仅当sa_handler是信号处理函数的地址时，才会处理sa_mask和sa_flags字段。sa_restorer字段不用于应用程序。sa_mask指定一组信号，在调用sa_handler时将阻塞该组信号。在调用sa_handler之前，会将该组信号自动添加到信号掩码中，sa_handler返回时再自动删除。即sa_mask指定了一组信号，不允许其中断sa_handler的执行。sa_flags字段是一个位掩码，用于指定控制信号处理过程中的各种选项：

SA_NOCLDSTOP：若sig为SIGCHLD，则当接受信号停止或恢复执行一子进程时，不产生此信号
SA_NOCLDWAIT：若sig为SIGCHLD，则当子进程终止时不将其转化为僵尸进程
SA_NODEFER：捕获该信号时，不会在执行处理器程序时将该信号自动添加到信号掩码中
SA_ONSTACK：调用信号处理器程序时使用由sigaltstack安装的备选栈
SA_RESETHAND：捕获该信号时，在调用信号处理器程序之前将信号处置重置为SIG_DFL（默认情况下，信号处理器会保持建立状态，直到调用sigaction解除）
SA_RESTART：自动重启由信号中断的系统调用
SA_SIGINFO：调用信号处理器时携带额外信息，提供了关于信号的深入信息

4、发送信号

kill()

与shell的kill命令相似，进程可以使用kill向另一进程发送信号。

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);
//成功返回0，错误返回-1

pid参数标识一个或多个进程，sig指定要发送的信号。pid参数有如下几种解释：

pid > 0，则发送信号给由pid指定的进程
pid = 0，则发送信号给与调用进程同组的所有进程，包括自身
pid < -1，则会向组ID等于该pid绝对值的进程组内所有下属进程发送信号
pid = -1，则信号的发送范围是：调用进程有权将信号发往的所有进程（除去init进程和自身），若特权进程发起这一调用，会将信号发送给系统中所有进程（除去init进程和自身），相当于广播。
注：当没有进程与指定pid匹配时，kill调用失败，同时将errno置为ESRCH（即”查无此进程“），可以利用此特性检查特定进程是否存在：将参数sig指定为0（空信号），若kill失败且errno为ESRCH，则表明进程不存在；若调用成功或调用失败，且errno为EPERM，则表示进程存在。

raise()

#include <signal.h>

int raise(int sig);
//成功返回0，错误返回非0

进程可以使用raise向自身发送信号，使用raise或kill向自身发送信号时，信号会立即传递，即在raise返回之前就传递。

在单线程程序中，raise相当于kill(getpid(), sig)
在多线程程序中，raise相当于pthread_kill(pthread_self(), sig)，只传给特定线程

注意：raise出错返回非0值（不一定为-1），唯一可能的错误是EINVAL，即sig无效。

killpg()

#include <signal.h>

int killpg(pid_t pgrp, int sig)
//成功返回0， 错误返回-1

killpg用于向某一进程组的所有进程发送信号。相当于kill(-pgrp, sig)调用。

5、信号集

多个信号可使用称为信号集的数据结构来表示，数据类型为sigset_t。下面介绍一系列操作信号集的函数：

#include <signal.h>

/**
 * sigemptyset初始化一个空信号集，sigfillset则初始化一个包含所有信号的信号集。
 * 注：必须使用sigemptyset和sigfillset初始化信号集
 */
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);

/**
 * sigaddset和sigdelset分别向一个信号集中添加或删除一个信号。
 */
int sigaddset(sigset_t *set);
int sigdelset(sitset_t *set);

/**
 * sigismember测试信号sig是否是信号集set的成员
 * sigisemptyset测试集号集是否为空集
 */
int sigismember(const sigset_t *set, int sig);
int sigisemptyset(const sigset_t *set);

/**
 * sigandset将left和right的交集置于dest中
 * sigorset将left和right的并集置于dest中
 */
int sigandset(sigset_t *dest, sigset_t *left, sigset_t *right);
int sigorset(sigset_t *dest, sigset_t *left, sigset_t *right);

6、阻塞信号传递

内核为进程维护一组信号掩码，阻塞其传递给进程。如果将信号掩码中的信号传递给进程，该信号的传递将延后直至从信号掩码中移除该信号。向信号掩码中添加信号有以下几种方式：

调用信号处理器时，可在调用sigaction时设置相关标志将引发调用的信号自动添加到信号掩码中
使用sigaction建立信号处理器函数时，额外指定一组信号给sa_mask字段
使用sigprocmask系统调用

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

sigprocmask可以修改信号掩码，也可获取当前掩码。how参数指定想对信号掩码进行的操作：

SIG_BLOCK 将set指向的集合中的信号添加到信号掩码中
SIG_UNBLOCK 将set指向的集合中的信号从信号掩码中删除
SIG_SETMASK 将set指向的信号集赋给信号掩码
若oldset参数不为空，则返回之前的信号掩码。

标准规定如果有等待的信号因为sigprocmask调用而解除了阻塞，那么在调用返回之前至少会传递一个信号。内核不会对标准信号进行排除处理，如果同一信号在阻塞状态下产生多次，在解除阻塞后也只会传递一次。内核将忽略试图阻塞SIGKILL和SIGSTOP信号的请求。如果阻塞这些信号，sigprocmask不会关注也不会返回错误。因此可以用如下方式阻塞除SIGKILL和SIGSTOP的所有信号：

sigfillset(&blockset);
if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &blockset, NULL) == -1)
    /*handle error*/

7、信号的其它注意事项

1、信号处理器函数

信号处理器函数设计越简单越好，常见有两种设计方式：

信号处理器函数设置全局性标志变量并退出，主程序对此标志进行周期性检查，一旦置位则采取相应动作。
信号处理器函数执行清理动作，随后终止进程或者使用非本地跳转将栈解开将返回到主程序中的预定位置继续执行

2、对errno的使用

当信号处理器函数调用可能更新errno的函数时，可能会覆盖由主程序调用函数时所设置的errno。变通的办法是在进入信号处理器函数时保存errno的值，并在离开时恢复。如下：

void handler(int sig)
{
    int saved_errno = errno;
    /*Execute a function that might modify errno.*/
    errno = saved_errno
}

3、终止信号处理器的其他方法

有时，简单的让信号处理器函数正常返回并不能满足需求，有时甚至没有什么用处（比如发生硬件异常时）。以下是其他一些从信号处理器中终止的方法：

使用_exit终止进程（不能使用exit，会刷新缓冲区）
使用kill杀掉进程
执行非本地跳转
使用abort终止进程并产生核心转储

4、信号传递的时机和顺序

如果进程使用sigprocmask解除对多个等待信号的阻塞，那么所有这些信号会立即传递。对Linux而言，Linux内核会按照信号编号的升序来传递信号。
当多个解除了阻塞的信号等待传递时，如果在信号处理器函数执行期间发生了内核态和用户态之间的切换，那将中断此处理器函数的执行，转而去调用第二个信号处理器函数。如下图所示：