linux之信号操作（九千字长文详解）

linux之信号操作

sigset_t

这是信号在内核中的表示

==block和pending都是位图——即用bit位来表示信号编号！==

每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。

因此,未决和阻塞标志可以用==相同的数据类型sigset_t==来存储,==sigset_t称为信号集==,这个类型可以表示每个信号 的“有效”或“无效”状态（在软件层面上就是将bit为从0置为1，或者从1置为0，硬件上就是从充放电来表示）

在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有 效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。

同一种位图我们可以用不同的解释来改变它的含义

==阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),==这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现,从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量,而不应该对它的内部数据做任何解释（如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的）

虽然本质都是位图，但是每个操作系统的实现方式是不一样的！不要自己使用逻辑与或非去进行判断，操作

#include <signal.h>
int sigemptyset (sigset_t *set);
int sigfillset (sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset (sigset_t *set, int signo);
int sigismember (const sigset_t *set, int signo); 

==参数set就是——信号集，参数signo——就是那个信号（那个比特位）==

函数sigemptyset——初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit都置为0。表示该信号集不包含任何有效信号。

函数sigfillset——初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置为1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。

注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号

函数sigaddset——将一个特定的信号添加进这个信号集里面！

函数sigdelset——将特定的信号从信号集里面删除

函数sigismember——判断该信号存不存在信号集里面

前4个函数都是成功返回0,出错返回-1。

==sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含 某种 信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。==

sigprocmask

==这个函数的作用就是用来更该进程的block表！==——那个进程调用就修改那个进程！

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

返回值:若成功则为0,若出错则为-1

==how参数==——表示如何修改这个block表，有三个不同的选项，SIG_BLOCK，SIG_UNBLOCK，SIG_SETMASK

BIG_BLOCK	set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号（新增信号屏蔽字），相当于mask=mask|set
BIG_UNBLOCK	st包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号（删除信号屏蔽字），相当于mask=mask&~set
SIG_SETMASK	设置当前信号屏蔽字为set所指向的值（重置当前的信号屏蔽字重置为set），相当于mask=set

如何理解三个选项呢？——就像有个老师布置作业，说布置800字的作文

老师在在800字作文的基础上，继续增加作业，例如多三道数学题——这就是SIG_BLOCK（增加）

老师将800字作文和三道数学题，变成800字作文和一道数学题——这既是BIG_UNBLOCK（减少）

老师收到通知将800字作文和三道数学题，变成了一个物理实验报告！重新布置作业，其他就不用做了——这就是SIG_SETMASK（即重置）

==set参数==——这个参数和how参数强相关！

假如我们想要对该进程的所有信号进程屏蔽！

那么我们就可以传入一个全1的set信号集！——使用sigfilset函数设置！

然后选择SIG_SETMASK操作（重置操作），就会将我们传进的set的位图结构，设置进进程的block位图里面！

==oset参数——是个输出参数！==

如果我们想要对信号屏蔽字做恢复呢？——所以我们就得将老的信号屏蔽字保存起来！

表示，当我们对信号屏蔽字做修改的时候，老的信号屏蔽字就会被返回！

sigpengding

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

读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。

我们接下来可与用上面的函数做一些实验！

我们知道，一般情况：我们所有的信号都是不被阻塞的！如果一个信号被阻塞，那么该信号就不会被抵达！如果收到了为阻塞的信号，那么就会被存入pending位图里面！

#include<iostream>
#include <signal.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<unistd.h>
// #define BLOCK_SIGNAL 2
#define MAX_SIGNUM 31

static std::vector<int> sigv = {2};//想要屏蔽那些信号往这个数组加就可以了！
static void show_pending(const sigset_t& pending)
{
       std::string show;
       for(int i = MAX_SIGNUM;i>=1;i--)
       {
           if(sigismember(&pending,i) == 1)
               show +='1';
           else 
               show +='0';
       }
       std::cout << show << std::endl;
}
int main()
{
       //首先尝试屏蔽2号信号！
       sigset_t set,oset,pending;
       //1.1初始化！
       sigemptyset(&set);//全部设为0
       sigemptyset(&oset);
       sigemptyset(&pending);
       //1.2添加要屏蔽的信号
       for(auto e:sigv)
       {
           sigaddset(&set, e); // 在set信号集将e号信号色设置为1
       }
       //前面这一堆动作是没有影响该进程信号屏蔽字的！——只是在用户层构建一个信号集！
       //1.3屏蔽信号！
       sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oset);//将信号集设置进内核！

       //遍历打印所有的pending信号集！
       while(true)
       {
           //2.1获取
           sigpending(&pending);//获取该进程的pending表
           //2.2打印pending表！
           show_pending(pending);
           sleep(1);
       }
       return 0;
}

==我们发现当我们使用ctrl+c发送2号信号后，2号信号就被阻塞！然后pending表里面的2更好信号位置就变了1！==

9号信号是绝不能被屏蔽，绝不能被捕抓！

==如果我们想要接触信号屏蔽！==

#include<iostream>
#include <signal.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<unistd.h>
#define MAX_SIGNUM 31

static std::vector<int> sigv = {2};
static void show_pending(const sigset_t& pending)
{
    std::string show;
    for(int i = MAX_SIGNUM;i>=1;i--)
    {
        if(sigismember(&pending,i) == 1)
            show +='1';
        else 
            show +='0';
    }
    std::cout << show << std::endl;
}
int main()
{
    sigset_t set,oset,pending;

    sigemptyset(&set);//全部设为0
    sigemptyset(&oset);
    sigemptyset(&pending);

    for(auto sig:sigv)
    {
        sigaddset(&set, sig);
    }

    sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oset);

    int cnt = 5;
    while(true)
    {
        //2.1获取
        sigpending(&pending);//获取该进程的pending表
        //2.2打印pending表！
        show_pending(pending);
        sleep(1);
        //cnt秒之后接触屏蔽！
        if(cnt-- == 0)
        {
            std::cout << "Restore all signals" << std::endl;
              
            sigprocmask(SIG_SETMASK,&oset,&set);
            //sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,&oset);//这样子也可以！
            
            //这里无法打印！
            std::cout << "Restore all signals" << std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

我们会发现5s之后信号确实被解除了阻塞，直接让进程被终止了！但是为什么没有打印两个语句出来呢？？

==一旦对特定信号接触屏蔽，那么操作系统至少要抵达一个信号！==

那么从内核态返回用户态之后就把进程终止了，压根不会回到进程的里面继续执行后续代码，所以无法打印！！！

==如果想要信号在被接触阻塞之后能打印！——我们可以对信号进行捕抓！==

#include<iostream>
#include <signal.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<unistd.h>
#define MAX_SIGNUM 31

static void myhandler(int signo)
{
    std::cout << "The signal has been arrested" << std::endl;
    std::cout << "Restore all signals" << std::endl;
}
int main()
{
    for(auto sig:sigv)//信号捕抓！
    {
        signal(sig,myhandler);
    }
    //....
    return 0;
}

sigaction

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

和signal一样这也是一个信号捕抓函数！功能也是一样的！即对特定信号设定特定的回调方法！——但是sigaction有更详细的选项设置

==首先我们就要认识一下struct sigaction这个结构体==

//The sigaction structure is defined as something like:
struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);//设置普通信号的回调函数
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//设置实时信号的回调函数
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

这个函数可以用来处理实时信号和普通信号！——不过我们这里只关心普通信号！

==我们主要设置该结构体的sa_handler这个成员变量！，sa_sigaction一般设置为nullptr，sa_flags也设置为0即可，sa_restorer也是和实时信号相关（一般也不使用）——设置为nullptr即可==（一般sa_handler和sasa_sigaction是最好不要同时同时使用！）

==我们后面主要讨论的是sa_mask这个成员变量！==

参数signum——就是信号编号！

参数act——是一个输入信参数，对我们当前进程的信号捕抓逻辑进行影响或者修改！

信号oldact——是一个输出型参数！获取特定信号老的处理方法！

返回值——成功返回0，不成功返回-1

==我们可以试用一下==

#include<signal.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo :" << signo << endl;
}
int main()
{
    struct sigaction act,oact;
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaction(SIGINT,&act,&oact);

    while(true)
    {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

==我们可以看到和我们使用signal函数其实是一样的！那么sigaction函数和signal函数的区别究竟是什么？==

#include<signal.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstdio>
using namespace std;
void Count(int cnt)
{
    while(cnt)
    {
        printf("cnt: %d\r",cnt);
        fflush(stdout);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    printf("\n") ;
}
void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo :" << signo << "is running"<< endl;
    Count(20);//我们使用Count函数来模拟handler处理时间长的场景！
}
int main()
{
    struct sigaction act,oact;
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaction(SIGINT,&act,&oact);

    while(true)
    {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

**当handler函数==比较废时间的时==候，如果多次收到相同的信号会发生什么呢？**会不会在handler函数的内部递归式的调用handler呢？——也就是说进程在运行的时候可能会收到大量的同类型的信号！如果收到同类型的信号，当前又正在处理某一个信号时，会发生什么呢？操作系统会不会允许我们进行那么多的信号提交呢？

==我们可以发现在第一次收到信号信后，在信号处理期间，信号都不会再抵达！后面无论是收到了多少个信号都只会处理一个信号！==

当我们正在抵达某一个信号的期间！同类型信号无法被抵达！——因为当前信号被捕抓，==系统会自动将当前信号加入到信号的信号屏蔽字(block表里面！)==！而当信号完成捕抓动作！系统又会==自动解除该信号的屏蔽！==

如果我们该handler里面尝试的屏蔽正在抵达的信号！例如：2号信号！

==那么就会出现虽然我们屏蔽了！——但是屏蔽完过后又被操作系统给自动的解除了！==

还能捕抓一次是因为，在首次收到信号的时候，pending位图会被由1置0，然后后续收到信号的时候，就会再次将0置为1！——但是因为只有一个位图所以只能改一次！

==一般一个信号被解除屏蔽的时候，会自动进行抵达！（至少要抵达一次！）如果这个信号已经在pending表里面了！没有就不进行任何动作！==

==处理信号信号的原则是串行的处理同类信号！不允许递归的进行处理！（只有处理完一个，才能处理下一个！）==

上面我们说过，信号处理的时候是不能去屏蔽同信号（因为会被自动的接触！）那么如果我们想要在处理本信号的时候，顺便屏蔽其他类型的信号呢？——可以的，我们可以添加进==sa_mask==里面，这样就是这个成员变量的作用！

#include<signal.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstdio>
using namespace std;
void Count(int cnt)
{
    while(cnt)
    {
        printf("cnt:%d",cnt);
        fflush(stdout);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    printf("\n");
}
void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo :" << signo << "is running"<< endl;
    Count(20);
}
int main()
{
    struct sigaction act,oact;
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);    
    //我们直接向
    sigaddset(&act.sa_mask,3);//将三号信号设置进mask里面！
    //这样子在除了屏蔽2号信号本身，还会将3号信号给屏蔽！
    sigaction(SIGINT,&act,&oact);

    while(true)
    {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在处理2号信号的时候，2,3号信号就都被屏蔽了！

==只有处理完2号信号，操作系统才会将2号信号和3号信号都解除屏蔽！——此时3号信号就可以抵达了！这样子进程就被终止了！==

总结

当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来 的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。

如果 在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字

可重入函数

假设有一个链表，我们要对其进行头插！

正常看起来是这样没错！

==但是假如出现了一些情况！——插入的第一步的时候因为某些原因触发了信号！而信号handler是我们的自定义行为，里面一个也有插入会发生什么呢？==

==我们发现，虽然都执行成功了！——但是插入顺序却出现问题了！导致了我们内存节点丢失！==

之所以会出现这个问题，是因为==main执行流和信号捕抓执行流，两套不同的执行流，重复进入了同一个函数！==导致了代码结果出现了未定义或者出错的情况！——我们将这种函数称之为==不可重入函数！==

一般我们认为，main执行流和信号捕抓执行流是两套不同的执行流！——虽然在代码里面我们来看也是串行了！main想要后续继续执行，也依旧要等待信号捕抓执行流执行完！但是我们可以看到main执行流其实压根没有直接调用果handler函数！是通过信号过来后才回调过去的！所以我们才说是两套执行流！

如果在main中或者handler中该函数被重复进入后==出现了问题——那就是不可重入函数！（不能重复进入）==

==如果重复进入后没有出现问题！——那么就是可重入函数！==

我们平时用的大部分接口都是不可重入函数！——函数可不可被重入是一个特性！不是一个问题！我们不需要解决

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

• 调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的
• 调用了标准I/O库函数。标准标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

volatile

这是一个C语言的的关键字！——不过我们一般很少用！

==这个关键字的作用是保持内存的可见性！——这个说法听起来很抽象！==

我们下面的例子来说明这个

#include <stdio.h>
#include<signal.h>
int quit = 0;

void handler(int signo)
{
    printf("%d 号信号，正在被捕抓\n",signo);
    printf("quit : %d",quit);
    quit = 1;
    printf("-> %d\n", quit);
}
int main()
{
    signal(2,handler);    
    while(!quit);
    printf("注意！该进程是正常退出的！\n");
    return 0;
}

代码运行的结果不出我们所料！

这里我们要说一点就是关于编译器的优化！当我们编译代码的时候，编译器都会进行优化，一般是O1或者O2，编译器的优化都是取决于编译器

我们可以自己手动的将优化级别调高

==当我们手动的提升编译器的优化级别！==

为什么会出现这个现象呢？

数据保存的无法就两个地方——一个是内存，一个是寄存器！那么优化其实也就是将数据从内存优化到寄存器里面！（因为寄存器比内存更快！）

所以这就是为什么明明quit被改了！但是循环却依旧不进行终止的原因！==因为寄存器中quit的存在，遮蔽了物理内存中quit变量存在的事实！==

在while循环只看到了寄存器！而看不到内存！

这种情况就会导致，我们代码没有问题！但是因为编译器的优化从而让代码没有按照预期来进行工作！

==为了解决这个问题！我们就要用到volatile关键字！==

在C/C++的里面，它的作用官方说法就是保持内存可见性！——==用简单的说法就是，让这个数据不要优化到寄存器里面！而是一直从内存里面进行读取！（这就是所谓的保持内存可见性）==

#include <stdio.h>
#include<signal.h>
volatile int quit = 0;

void handler(int signo)
{
    printf("%d 号信号，正在被捕抓\n",signo);
    printf("quit : %d",quit);
    quit = 1;
    printf("-> %d\n", quit);
}
int main()
{
    signal(2,handler);    
    while(!quit);
    printf("注意！该进程是正常退出的！\n");
    return 0;
}

我们依旧进行O3级别的优化！但是此时quit就不会被放进寄存器里面了！代码逻辑也就正常了！

如果出现了信号捕抓执行流和main函数执行流里面有个要修改的值的时候！这时候我们就要注意了！

SIGCHLD

这个信号是和进程等待有关系

如果一个子进程退出了！——那么这个子进程就会变成僵尸状态，然后让父进程读取它，获取子进程的退出码和退出信号！

如果一个子进程没有退出——那么父进程就要阻塞或者非阻塞的等待子进程！

==当子进程退出的时候，它不会直接就退出，然后进入僵尸状态，而是它在进入僵尸状态的时候！它会告诉父进程它的状态！==

==那么它是怎么告诉父进程的呢？——通过发送信号的方式！发送SIGCHLD信号！（17号信号）==

我们可以看到SIGCHLD的行为是Ign（ignore the signal)忽略该信号！这个忽略是内核级别的忽略

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
void Count(int cnt)
{
while(cnt)
{
printf("cnt:%2d\r",cnt);
fflush(stdout);
cnt--;
sleep(1);
}
printf("\n");
}
void handler(int signo)
{
printf("pid: %d , %d 号信号，正在被捕抓\n",getpid(),signo);
}
int main()
{
signal(SIGCHLD,handler);
printf("我是父进程！pid : %d,ppid: %d\n", getpid(), getppid());

pid_t id = fork();
while(id == 0)
{
printf("我是子进程！我要退出了！pid : %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
Count(5);
exit(1);
} 
while(1) sleep(1);

return 0;
}

==用上面断点我们可以看出来！——子进程退出之后！父进程确实会捕抓子进程发出的信号！==

那么如果知道这一点的话有什么用处呢？

如果不知道这一点，我们想要知道子进程退出什么时候退出！我们只能主动的去调用waitpid和wait这样的函数！——无论是阻塞等待还是非阻塞等待

==但是现在我们知道了！我们其实可以不用去主动关心子进程！等子进程退出了！那么它就会自己给父进程发送信号！这时候父进程再去回收子进程！==

void handler(int signo)
{
//我们是可以在handler里面直接调用wait或者waitpid的！
}

但是这样子代码的健壮性不好！

==情况1：假如我们有很多的子进程！（例如：10个）在同一时刻同时退出==

那么就会向父进程同时发送10个SIGCHLD信号！==但是上面我们讲过当正在处理一个信号的时候，操作系统会自动屏蔽同类型的信号！而且因为pending表只有一份！后续的9个信号也只能被保存一份！==——所以在handler里面直接调用wait或者waitpid是不好的！

所以最好的方式是通过循环等待！——因为我们并不知道有几个进程退出了！所以只能while(1) --> waipid式的等待

waitpid的第一个参数，我们一般都是设置为指定进程的pid！但是也可以设置为-1!即等待任意子进程的进程！

那么这个死循环什么终止呢？——waitpid再也等待不到的时候！说明底层的子进程都全部退出完毕了！

==情况2：我们有很多的子进程（10个），只有一部分退出了！==

这种情况下我们也是进行循环式的等待，假如有5个退出了，当waitpid已经回收了这5个的时候！第六个要不要进程waitpid呢？——==要的！因为进程压根不知道！到底退出了多少个子进程！我们说5个退出了是我们站在上帝视角来看待这件事情的！进程是不知道到底退出了多少个！所以即使将5个子进程都回收！也还是要进行waitpid！==

如果此时是阻塞式等待！那么就出现问题了！——在handler方法里面出现了阻塞式调用！那么就无法返回主进程了！——所以在循环式等待的时候==不能进行阻塞式等待！要进行非阻塞式等待！==——非阻塞式等待时，如果没有等待成功waitpid是会返回0的！

void handler(int signo)
{
    pid_t id;
    while(1)
    {
        id = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);
        if(id <= 0)//出错或者等待失败
            break;
    }
}

==这就是通过信号来完成进程等待！==

上面我们都是在说要么在main执行流要么在信号捕抓执行流里面调用wait'/waitpid来回收子进程，我们也可通过==不调用wait/waitpid==的方式来回收子进程！

要想不产生僵尸进程还有另外一种办法==:父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN（忽略）==

这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。

系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的

但这是一个特例此方法对于Linux可用,但不保证 在其它UNIX系统上都可 用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
void Count(int cnt)
{
    while(cnt)
    {
        printf("cnt:%2d\r",cnt);
        fflush(stdout);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    printf("\n");
}
int main()
{
    signal(SIGCHLD,SIG_IGN);//显示的设置！对SIGCHLD进行忽略
    printf("我是父进程！pid : %d,ppid: %d\n", getpid(), getppid());

    pid_t id = fork();
    while(id == 0)
    {
        printf("我是子进程！我要退出了！pid : %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
        Count(3);
        exit(1);
    } 
    while(1) sleep(1);

    return 0;
}

但是为什么要我们手动去显示将SIGCHLD设置为SIG_IGN？——我们上面看到过、

该信号的默认行为不就是IGN吗？——**默认的IGN和我们手动设置出来的是不一样的！**默认IGN行为就是我们看到的，如果没有被父进程回收那么就进入僵尸！

但是我们的自己设置的IGN就是不进入僵尸，也不等待，直接回收！

这两个值在操作系统内部肯定是不一样的！