第6章 信号和信号处理

摘要
本章讲述了信号和信号处理；介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看待信号；将信号视为进程中断，将进程从正常执行转移到信号处理；解释了信号的来源，包括来自硬件、异常和其他进程的信号；然后举例说明了信号在Unix/Linux中的常见用法；详细解释了Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤；用示例展示了如何安装信号捕捉器来处理程序异常，如用户模式下的段错误；还讨论了将信号用作进程间通信（IPC）机制的适用性。

6.1 信号和中断

“中断”是从I/0设备或协处理器发送到CPU的外部请求，它将CPU从正常执行转移到中断处理。与发送给CPU的中断请求一样，“信号”是发送给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。
（1）首先，我们将进程的概念概括为：一个“进程”（引号中）就是一系列活动。广义的 “进程”包括

• 从事日常事务的人。
• 在用户模式或内核模式下运行的Unix/Linux进程。
• 执行机器指令的CPU。

（2）“中断”是发送给“进程”的事件，它将“进程”从正常活动转移到其他活动，称 为“中断处理”。“进程”可在完成“中断”处理后恢复正常活动。
（3）“中断” 一词可应用于任何“进程”，并不仅限于计算机中的CPU。例如，我们可能会提到以下几种“中断”。
（3）.1当我在办公室读书、评分、做白日梦时，可能会发生一些真实事件，比如：

所有这些事件都叫作人员中断。因为他们把人从正常活动转向“应对或处理中断”。处理完中断后，此人可以继续此前的活动（如果这个人还活着而且仍然记得自己之前的活动）。
每个中断都分配有一个唯一的ID识别号，并有一个预先安装的动作函数，人可在收到中断请求时“执行”动作函数。
根据来源，中断可分为三类：

• 来自硬件的中断：大楼着火，闹钟响了等。
• 来自其他人的中断：电话响了，有人敲门等。
• 自己造成的中断：切到手指，吃得太多等。

按照紧急程度，中断可分为以下几类：

• 不可屏蔽(NMI)：大楼着火！
• 可屏蔽：有人敲门等。

人员的每个动作函数都是通过本能或经验实现的。由于人员中断的种类太多，所以不能在上表中全部列出，但是思路应该清晰。

(3).2进程中断。
这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的中断：

• 来自硬件的中断：终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。
• 来自其他进程的中断：kill(pid, SIG#)、death_of_child 等。
• 自己造成的中断：除以0、无效地址等。

每个进程中断都被转换为一个唯一ID号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我们始终可限制在一个进程中的中断的数量。Unix/Linux中的进程中断称为信号，编号为1到31。进程的PROC结构体中有对应每个信号的动作函数，进程可在收到信号后执行该动作函数。与人员类似，进程也可屏蔽某些类型的信号，以推迟处理。必要时，进程还可能会修改信号动作函数。

(3).3硬件中断
这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源：

• 来自硬件的中断：定时器、I/O设备等。
• 来自其他处理器的中断：FFP、DMA、多处理器系统中的其他CPU。
• 自己造成的中断：除以0、保护错误、INT指令。

每个中断都有一个唯一的中断信号量。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。前面说过，CPU始终执行一个进程。CPU不会导致任何自己造成的中断（除非出错）。这种中断是由于进程正在使用或在大多数情况下误用CPU造成的。前一种情况包括INT n或等效指令，使CPU从用户模式切换到内核模式。后一种情况包括CPU识别为异常的所有陷阱错误。因此，我们可以排除CPU自身造成的中断，只留下CPU外部的中断。

(3).4进程的陷阱错误。
进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的，例如除以0、无效地址、非法指令、越权等。当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。我们会在后面学习到，进程可以用信号捕捉 器代替默认动作函数，允许它在用户模式下处理信号。如果在内核模式下发生陷阱，原因一定是硬件错误，或者很可能是内核代码中的漏洞，在这种情况下，内核无法处理。在Unix/Linux中，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了。希望在下一个内核版本中可以跟踪并修复这个问题。

6.2 Unix/Linux信号示例

(1)按"Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止。原因如下。“Ctrl+C”组合键会生成一个键盘硬件中断。键盘中断处理程序将"Ctrl+C”组合键转换为SIGINT (2)信号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输入的进程。在内核模式下，每个进程都要检查和处理未完成的信号。进程对大多数信号的默认操作是调用内核的kexit(exitValue)函数来终止。在Linux中，exitValue的低位字节是导致进程终止的信号编号。
(2)用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程仍将继续运行。nohup命令会使sh像往常一样复刻子进程来执行程序，但是子进程会忽略S1GHUP(1)信号。当用户退出时，sh会向与终端有关的所有进程发送一个S1GHUP信号。后台进程在接收到这一信号后，会忽略它并继续运行。为防止后台进程使用终端进行I/O, 后台进程通常会断开与终端的连接(通过将其文件描述符0、1、2重定向到/dev/null),使 其完全不受任何面向终端信号的影响。
(3)也许几天后，用户再次登录时会发现(通过ps-u LTD)后台进程仍在运行。用户可以使用sh命令

kill pid (or kill -s 9 pid)

杀死该进程。方法如下。执行杀死的进程向pid标识的目标进程发送一个SIGTERM(15)信号，请求它死亡。目标进程将会遵从请求并终止。如果进程选择忽略SIGTERM信号，它可能拒绝死亡。在这种情况下，我们可以使用kill -s 9 pid,肯定能杀死它。因为进程不能修改对9号信号的动作。读者可能会问，为什么是9号信号呢？在最初的Unix中，只有9个信号。9号信号被保留为终止进程的终极手段。虽然后来的Unix/Linux系统将信号编号扩展到了31,但是信号编号9的含义仍然保留了下来。

6.3 Unix/Linux中的信号处理

6.3.1 信号类型

Unix/Linux支持31种不同的信号，每种信号在signal.h文件中都有定义。

#define	SIGHUP	1
#define	SIGINT	2
#define	SIGQUIT	3
#define	SIGILL	4
#define	SIGTRAP	5
#define	SIGABRT	6
#define	SIGIOT	6
#define	SIGBUS	7
#define	SIGFPE	8
#define	SIGKILL	9
#define	SIGUSR1	10
#define	SIGSEGV	11
#define	SIGUSR2	12
#define	SIGPIPE	13
#define	SIGALRM	14
#define	SIGTERM	15
#define	SIGSTKFL16
#define	SIGCHLD	17
#define	SIGCONT	18
#define	SIGSTOP	19
#define	SIGTSTP	20
#define	STGTTTN	21
#define	SIGTTOU	22
#define	SIGURG	23
#define	SIGXCPU	24
#define	SIGXFSZ	25
#define	SIGVTALRM26
#define	SIGPROF	27
#define	SIGWINCH28
#define	SIGPOLL	29
#define	SIGPWR	30
#define	SIGSYS	31

每种信号都有一个符号名,如 SIGHUP ( 1 )、SIGEMT ( 2 )、SIGKILL ( 9 )、S1GSEGV (11)等。

6.3.2 信号的来源

• 来自硬件中断的信号：在进程执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程。 硬件信号示例是

  • 中断键(Ctrl+C),它产生一个SIGINT ( 2 )信号。
  • 间隔定时器，当它的时间到期时，会生成一个SIGALRM ( 14 ) .SIGVTALRM ( 26 ) 或 SIGPROF ( 27 )信号。
  • 其他硬件错误，如总线错误、IO陷阱等。

• 来自异常的信号：当用户模式下的进程遇到异常时，会陷入内核模式，生成一个信 号，并发送给自己。常见的陷阱信号有SIGFPE ( 8 ),表示浮点异常(除以0),最常 见也是最可怕的是SIGSEGV (11),表示段错误，等等。

• 来自其他进程的信号：进程可使用kill(pid, sig)系统调用向pid标识的目标进程发送 信号。读者可以尝试以下实验。在Linux下,运行简单的C程序

  main(){while(1);}
  

使进程无限循环。从另一个(X-window)终端，使用ps-u查找循环进程pid。然后 输入sh命令

kill -s 11 pid

循环进程会因为段错误而死亡。读者可能会问：这怎么可能呢？所有进程都在一个 While(l)循环中执行，它是如何产生段错误的呢？答案是：这并不重要。当某进程被某个信号终止时，它的exitValue就包含这个信号编号。父进程sh只是将死亡子进程的信号编号转换为一个错误字符串，不管它是什么。

6.3.3 进程PROC结构体中的信号

每个进程PROC都有一个32位向量，用来记录发送给进程的信号。在位向量中，每一 位(0位除外)代表一个信号编号。此外，它还有一个信号MASK位向量，用来屏蔽相应的 信号。可使用一系列系统调用，如sigmasks sigsetmask, siggetmask. sigblock等设置、清
除和检查MASK位向量。待处理信号只在未被屏蔽的情况下才有效。这样可以让进程延迟 处理被屏蔽的信号，类似于CPU屏蔽某些中断。

6.3.4 信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组int sig[32]o sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示DEFault (默认)，1表示IGNore (忽略)，其他非零值表示 用户模式下预先安装的信号捕捉(处理)函数1。