【并发程序设计】13.信号机制

13.信号机制

概念：

信号机制是Unix、类Unix以及其他POSIX兼容的操作系统中的一种进程间通讯方式，它允许进程在发生特定事件时接收通知。

信号机制是操作系统中的一个重要概念，它提供了一种异步的通知机制，用于在进程之间传递消息。信号可以被看作是一种软中断，它们可以在任何时间被发送给一个进程，以通知该进程发生了某个特定的事件。信号的本质是在软件层次上模拟硬件中断的行为，但它完全由软件控制，因此被称为“软中断”。

信号的处理过程通常涉及以下几个步骤：

1. 信号的产生：当某个事件发生时，如用户按下Ctrl+C，或者程序访问了非法内存地址，操作系统会产生一个信号。
2. 信号的传递：产生的信号会被操作系统传递给目标进程。这个过程是异步的，意味着信号可以在任何时间点到达。
3. 信号的接收：进程通过注册信号处理函数来接收和处理信号。当信号到达时，如果进程已经为该信号注册了处理函数，操作系统会调用该函数。
4. 信号的处理：在信号处理函数中，进程可以决定如何处理信号。常见的处理方式包括忽略信号、采取默认行为（如终止进程）或执行自定义的操作。
5. 信号的屏蔽：进程可以选择暂时屏蔽某些信号，这样即使在信号产生时也不会被立即处理。这通常用于避免在某些关键操作中被信号中断。

在Linux系统中，信号机制是通过内核实现的。内核负责管理信号的发送和接收，并通过软中断的方式通知进程。进程可以通过系统调用来设置信号处理函数，从而定义对不同信号的响应方式。

常用信号

kill -l 命令查看所有信号

用到的命令

Kill 命令

1. 格式：kill [参数] [进程号]
2. 功能：Linux中的kill命令的功能是向指定进程发送信号以终止该进程的运行
3. 参数：
   • -[信号名或代号]，例 kill -9 pid 结束进程pid
   • -l（小写L）：列出所有可用的信号名称。如果不加信号编号，使用此参数会显示全部信号。
   • -s：指定要发送的信号的名称或编号。这允许用户选择发送不同的信号到进程。
   • -a：当处理当前进程时，不限制命令名和进程号的对应关系。这在批量脚本中尤其有用。
   • -p：指定kill命令只打印相关进程的进程号，而不发送任何信号。
   • -u：指定用户。这个参数用来限定只向特定用户的进程发送信号

killall 命令

1. 格式：killall [参数] [进程名]
2. 功能：结束所有与给定名称匹配的运行中的进程。这可以简化操作，因为用户不需要先查找进程ID（PID），再使用kill命令来终止进程。
3. 参数：
   • -e | --exact：要求进程名与指定名称完全匹配。
   • -I | --ignore-case：在匹配进程名时忽略大小写。
   • -g | --process-group：结束整个进程组而不仅仅是单个进程。
   • -i | --interactive：在结束进程前询问用户确认，实现交互式操作。
   • -l | --list：列出所有已知的信号名称。
   • -q | --quiet：在进程没有结束时不输出任何信息。
   • -s | --signal：发送指定的信号到进程，默认为SIGTERM。
   • -v | --verbose：报告信号是否成功发送到每个匹配的进程。
   • -w | --wait：等待每个被发送信号的进程终止

发送信号的函数

kill 函数

1. 原型：

   #include <signal.h>
   int kill(pid_t pid, int sig)
   

2. 功能：指定的进程或进程组发送信号

3. 参数：

   • pid：指定要接收信号的进程或进程组
     • pid > 0：信号将被发送到进程ID为pid的进程。
     • pid = 0：信号将被发送到与调用kill()的进程属于同一个进程组的所有进程。
     • pid = -1：信号将被广播发送到系统中所有调用进程有权发送信号的进程，除了进程1（init）。
     • pid < -1：信号将被发送到以-pid为进程组标识的所有进程。
   • int sig：指定要发送的信号的编号。不同的信号编号代表不同的信号，例如SIGTERM代表终止信号，SIGKILL代表强制终止信号。

4. 返回值：

   • 成功，返回0
   • 失败，返回非零数

alarm 函数

1. 原型：

   #include <unistd.h>
   unsigned int alarm(unsigned int seconds);
   

2. 功能：设置一个定时器，在定时器到期时向调用进程发送SIGALRM信号

3. 参数：seconds：指定定时器的秒数。如果seconds为0，则取消之前设置的定时器，并返回剩余的时间片。如果seconds非零，则设置一个新的定时器，定时器到期时，将向调用alarm函数的进程发送SIGALRM信号。

4. 返回值：

   • 上一个定时器的剩余时间（以秒为单位）
   • 如果没有设置过定时器，则返回值为0

5. 注意：如果在定时器到期前再次调用alarm函数设置了新的定时器，那么原来的定时器会被取消，新的定时器将从当前时间开始计时。

pause 函数

1. 原型：

   #include <stdlib.h>
   int pause(void);
   

2. 功能：暂停程序执行，直到接收到一个信号

3. 参数：无

4. 返回值：

   • 如果成功，则返回-1
   • 如果发生错误，则返回-1并设置errno为相应的错误代码

ualarm 函数

1. 原型：

   #include <unistd.h>
   int ualarm(unsigned int seconds, int interval);
   

2. 功能：设置一个定时器，在定时器到期时向进程发送SIGALRM信号

3. 参数：

   • seconds：指定定时器的秒数。如果seconds为0，则取消之前设置的定时器。
   • interval：指定间隔时间（以jiffies为单位）。如果interval为0或负数，则表示只执行一次定时器。

4. 返回值：

   • 成功，返回0
   • 失败，返回-1

5. 注意：ualarm函数已经被标记为已废弃（deprecated），因为它的行为在不同的系统和平台上可能不一致。在新的代码中，建议使用setitimer函数来代替ualarm函数，以实现更可靠和可移植的定时器功能。

setitimer函数

1. 原型：

   #include <sys/time.h>
   int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
   

2. 功能：设置一个定时器，该定时器在到期时会向调用进程发送一个SIGALRM信号

3. 参数：

   • which：指定定时器类型，可以是以下三种之一：
     • ITIMER_REAL：基于真实的时间间隔（Real timer），即按照日历时间来计算。
     • ITIMER_VIRTUAL：基于虚拟的时间间隔（Virtual timer），即按照进程在用户态消耗的CPU时间来计算。
     • ITIMER_PROF：基于进程时间（Profiling timer），即按照进程在用户态和内核态消耗的CPU时间来计算。
   • new_value：指向struct itimerval结构的指针，该结构定义了定时器的间隔时间和总时间。如果这个指针为NULL，则定时器被取消。
   • old_value：指向struct itimerval结构的指针，用于存储之前的定时器设置。如果这个指针为NULL，则不保存之前的定时器设置。

4. 结构体：

   • struct itimerval {
         struct timeval it_interval; /* 定时器触发的时间间隔 */
         struct timeval it_value;    /* 第一次触发定时器的时间 */
     };
     

   • struct timeval {
         time_t tv_sec; // 秒数
         suseconds_t tv_usec; // 微秒数
     };
     

5. 返回值：

   • 成功，返回0
   • 失败，返回-1

6. 注：可以通过调用gettimeofday(&t_start, NULL)来获取当前时间，并将其存储在timeval结构体变量t_start中。

捕获信号

捕获流程

signal函数

1. 原型：

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

2. 功能：设置指定信号的处理函数

3. 参数：

   • signum：指定要处理的信号的编号。
   • handler：指向信号处理函数的指针。如果设置为SIG_IGN，则忽略该信号；如果设置为SIG_DFL，则采用系统默认处理方式。

4. 返回值：返回先前为指定信号设置的处理函数指针，或者如果之前没有设置处理函数，则返回SIG_DFL

5. 注：typedef void (*sighandler_t)(int);

   • (*sighandler_t) 表示定义了一个名为 sighandler_t 的函数指针类型。这个函数指针类型指向的函数返回值为 void，即没有返回值，同时接受一个整型参数 int，通常用于传递信号编号

6. 示例

   捕捉SIGINT信号，打印"I cath the SIGINT \n"

   程序执行后按ctrl +c 打印“I cath the SIGINT \n”后信号功能复原，再按一次ctrl +c，程序退出

   #include <signal.h>
   #include <stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include <stdlib.h>
   #include <string.h>
   #include <linux/posix_types.h>
   
   typedef void (*sighandler_t)(int);
   
   sighandler_t oldact;
   
   void handle(int sig){
       printf("I cath the SIGINT \n");
       signal(SIGINT,oldact);//回复信号原来的功能
   }
   
   int main(){
   
       oldact = signal(SIGINT,handle);//设定信号执行的函数，并将原来的处理信号的函数指针赋值给oldact
       while(1){
           sleep(1);
       }
   
   

sigaction函数

1. 原型：

   #include <signal.h>
   int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
   

2. 功能：

   • sigaction 函数用于设置指定信号 signum 的信号处理函数、信号集和标志。
   • 它允许更细致的控制信号的行为，比 signal 函数提供了更多的选项。

3. 参数：

   • signum：要处理的信号编号。
   • act：指向 sigaction 结构体的指针，该结构体定义了新的信号处理行为。
   • oldact：指向 sigaction 结构体的指针，用于存储原来的信号处理行为。如果不需要保存旧的行为，可以设置为 NULL。

4. 返回值：

   • 成功时返回 0
   • 失败时返回 -1

5. sigaction 结构体：

   struct sigaction {
       void (*sa_handler)(int);      // 信号处理函数
       void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 带有额外信息的信号处理函数（POSIX标准）
       sigset_t sa_mask;             // 信号集，指定在处理信号时阻塞哪些信号
       int sa_flags;                 // 影响信号处理行为的标志
   };
   

   • sa_flags 标志
     • SA_NOCLDSTOP：如果子进程被终止，父进程不会成为停止状态。
     • SA_ONSTACK：使用用户栈中的额外空间执行信号处理函数。
     • SA_RESTART：在信号处理完成后，重启被中断的系统调用。
     • SA_RESETHAND：在信号处理结束后，将信号处理函数重置为默认行为。
     • SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 成员而不是 sa_handler 作为信号处理函数，以提供额外的信号信息。

6. 注意：

   • 不同的操作系统可能对信号的支持不同，因此在使用前应检查操作系统的文档。
   • 在多线程环境中，信号处理可能会被任何线程接收，因此信号处理函数应设计为异步安全的。
   • 当一个信号被捕获时，它的默认行为会被禁止，除非在 sa_handler 或 sa_sigaction 中明确指定。

sigemptyset函数

1. 原型：

   #include <signal.h>
   int sigemptyset(sigset_t *set);
   

2. 功能：初始化或清空信号集

3. 参数：

   • set：指向要清空的信号集的指针。

4. 返回值：

   • 成功时返回0
   • 失败时返回-1

示例

使用信号回收子进程

• 信号 17）SIGCHLD 是子进程状态改变发给父进程的。

• SIGCHLD的产生条件

  1. 子进程终止时

  2. 子进程接收到SIGSTOP信号停止时

  3. 子进程处在停止态，接受到SIGCONT后唤醒时

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

// 信号处理函数
void handle(int sig){
    wait(NULL); // 等待子进程结束
    printf("Get sig =%d\n",sig); // 输出接收到的信号编号
}

int main()
{
    pid_t pid; // 用于存储fork()函数的返回值
    struct sigaction myact; // 用于存储信号处理结构体
    myact.sa_handler = handle; // 设置信号处理函数为handle
    myact.sa_flags = 0; // 设置信号处理标志为0

    sigemptyset(&myact.sa_mask); // 清空信号集

    pid = fork(); // 创建子进程

    // 父进程部分
    if(pid>0)
    {
        //wait(NULL);
        sigaction(SIGCHLD,&myact,NULL); // 设置SIGCHLD信号的处理函数为handle
        while(1)
        {
            printf("this is father process\n"); // 输出信息
            sleep(1); // 休眠1秒
        }
    }

    // 子进程部分
    else if(pid==0)
    {
        sleep(5); // 休眠5秒
        exit(0); // 退出子进程
    }
}

信号阻塞和信号集

有时候不希望在接到信号时就立即停止当前执行，去处理信号，同时也不希望忽略该信号，而是延时一段时间去调用信号处理函数。这种情况可以通过阻塞信号实现。

概念：信号的”阻塞“是一个开关动作，指的是阻止信号被处理，但不是阻止信号产生。

信号的状态：

• 信号递达（Delivery ）：实际信号执行的处理过程(3种状态：忽略，执行默认动作，捕获)
• 信号未决（Pending）：从产生到递达之间的状态

信号集

信号集是一组用于表示信号的集合，它包含了一组信号的状态，通常用来表示这些信号是否已经发生或被处理

信号集操作函数

1. sigset_t set; 自定义信号集。 是一个32bit 64bit 128bit的数组。
2. sigemptyset(sigset_t *set); 清空信号集
3. sigfillset(sigset_t *set); 全部置1
4. sigaddset(sigset_t *set, int signum); 将第signum个信号添加到集合中
5. sigdelset(sigset_t *set, int signum); 将第signum个信号从集合中移除
6. sigismember（const sigset_t *set，int signum); 判断一个信号是否在集合中。

信号屏蔽函数

sigprocmask函数

1. 原型：

   #include <signal.h>
   int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
   

2. 功能：设定对信号集内的信号的处理方式(阻塞或不阻塞)

3. 参数：

   • how：指定函数的行为，可以是以下值之一：

     • SIG_BLOCK：将参数set中的信号加入到进程的信号屏蔽字中。

     • SIG_UNBLOCK：从进程的信号屏蔽字中移除参数set中的信号。

     • SIG_SETMASK：将参数set设置为进程的信号屏蔽字。

     • SIG_MASK：清空信号集，然后加入原来的信号屏蔽字。

     • SIG_BLOCKSET：类似于SIG_BLOCK，但不会改变原来的信号屏蔽字。

     • SIG_UNBLOCKSET：类似于SIG_UNBLOCK，但不会改变原来的信号屏蔽字。

   • set：指向sigset_t类型的指针，包含了要添加到信号屏蔽字中的信号集合。

   • oldset：指向sigset_t类型的指针，用于存放调用前的信号屏蔽字。

4. 返回值：

   • 成功时返回0，
   • 失败时返回-1，并设置errno为错误码。

示例

SIGINT信号的处理和屏蔽

在刚开始运行时的5秒内按下ctrl+c终端没有反应，五秒结束后信号屏蔽解除，终端打印"I get sig=%d\n"

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

void handle(int sig)  // 定义一个信号处理函数，参数为接收到的信号值
{
    printf("I get sig=%d\n", sig);  // 打印接收到的信号值
}

int main()  // 主函数
{
    struct sigaction act;  // 定义一个sigaction结构体变量act
    act.sa_handler = handle;  // 设置信号处理函数为handle
    sigemptyset(&act.sa_mask);  // 初始化清空信号集
    act.sa_flags = 0;  // 设置标志位为0
    sigaction(SIGINT, &act, NULL);  // 将SIGINT信号的处理方式设置为act

    sigset_t set;  // 定义一个信号集变量set
    sigemptyset(&set);  // 初始化清空信号集
    sigaddset(&set, SIGINT);  // 将SIGINT信号添加到信号集中

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 阻塞信号集set中的信号（即禁止接收SIGINT信号）
    sleep(5);  // 暂停执行5秒
    sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);  // 解除对信号集中的信号的阻塞（即允许接收SIGINT信号）

    while (1) 
    {
        sleep(1);  
    }
}

信号阻塞函数

pause函数

1. 原型：

   #include <unistd.h>
   int pause(void);
   

2. 功能：pause函数使当前进程进入睡眠状态，直到收到一个信号为止。在睡眠期间，进程不会占用CPU资源。

3. 返回值：

   • 如果成功，则返回-1，并将errno设置为EINTR（表示被中断）。
   • 如果失败，则返回-1，并将errno设置为错误码。

sigsuspend函数

1. 原型：

   #include <signal.h>
   int sigsuspend(const sigset_t *mask);
   

2. 功能：

   • sigsuspend函数使当前进程进入睡眠状态，直到收到一个信号为止。在睡眠期间，进程不会占用CPU资源。
   • 与pause函数不同，sigsuspend函数可以指定要阻塞的信号集，即在等待信号时，哪些信号应该被阻塞。

3. 参数：

   • mask：指向sigset_t类型的指针，表示要阻塞的信号集。如果为NULL，则不阻塞任何信号

4. 返回值：

   • 如果成功，则返回-1，并将errno设置为EINTR（表示被中断）
   • 如果失败，则返回-1，并将errno设置为错误码

示例

展示两个方法阻塞信号

• 法一：通过sigprocmask和pause实现
• 法二：通过sigsuspend实现

#include <signal.h>  // 引入信号处理相关的头文件
#include <stdio.h>   // 引入标准输入输出相关的头文件
#include <stdlib.h>  // 引入标准库函数相关的头文件
#include <unistd.h>  // 引入Unix系统调用相关的头文件

void handle(int sig)  // 信号处理函数
{
    printf("I get sig=%d\n", sig);  // 打印接收到的信号值
}

void mytask()  // 任务函数
{
    printf("My task start\n");  // 打印任务开始信息
    sleep(3);  // 暂停3秒
    printf("My task end\n");  // 打印任务结束信息
}

int main()  // 主函数
{
    struct sigaction act;  // 定义一个sigaction结构体变量act
    act.sa_handler = handle;  // 设置信号处理函数为handle
    act.sa_flags = 0;  // 设置标志位为0
    sigemptyset(&act.sa_mask);  // 初始化清空信号集
    sigaction(SIGINT, &act, NULL);  // 将SIGINT信号的处理方式设置为act
    sigaction(SIGHUP, &act, NULL);  // 将SIGHUP信号的处理方式设置为act

    sigset_t set, set2;  // 定义两个信号集变量set和set2
    sigemptyset(&set2);  // 初始化清空set2信号集
    sigaddset(&set, SIGHUP);  // 将SIGHUP信号添加到信号集set中
    sigaddset(&set, SIGINT);  // 将SIGINT信号添加到信号集set中

    pause();  // 暂停执行，等待信号的到来

    while (1)  // 无限循环
    {
        sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 阻塞信号集中的信号（即禁止接收SIGHUP和SIGINT信号）
        mytask();  // 执行自定义的任务函数
        /*法一*/
        //sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,NULL);  // 解除对信号集中的信号的阻塞（即允许接收SIGHUP和SIGINT信号）
        //pause();//暂停执行，等待信号的到来
        /*法二*/
        sigsuspend(&set2);  // 挂起进程，直到收到信号为止
    }

    printf("After pause\n");  // 打印"After pause"信息

    while (1)  // 无限循环
    {
        sleep(1);  // 每次循环暂停执行1秒
    }
}

具体分析：

• sigprocmask：这个函数用于修改进程的信号屏蔽字，即它可以阻止某些信号的传递。当设置了信号屏蔽字后，指定的信号将不会传递给进程，直到取消屏蔽。这种方法的缺点是，如果在取消屏蔽和调用pause之间有信号发生，那么这个信号可能会丢失。
• pause：这个函数会使进程进入睡眠状态，直到收到一个信号。如果在使用sigprocmask解除信号屏蔽之后调用pause，在这两个调用之间的时间窗口内发生的信号可能会导致pause永远挂起，因为pause只有在接收到信号后才会返回。
• sigsuspend：这个函数结合了sigprocmask和pause的功能，它在解除信号屏蔽的同时使进程进入睡眠状态。这是一个原子操作，意味着它保证了在信号解除屏蔽和等待信号之间不会有时间窗口，从而避免了信号丢失的问题。因此，如果需要等待某个信号，建议使用sigsuspend而不是单独使用sigprocmask和pause。

总的来说，sigprocmask主要用于改变信号屏蔽字，pause用于等待任何信号的到来，而sigsuspend则是在等待特定信号时使用的更为安全的方法，因为它可以保证在等待期间不会错过任何信号