第六章 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。读者可借助该编程项目，使用信号和管道来实现用于进程交换信息的进程间通信机制。

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）一个进程就是一系列活动。

（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）中断可应用于任何进程，并不仅限于计算机中的CPU。

• 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，可能会收到三个不同来源的终端：

​ （1）来自硬件的中断：终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。

​ （2）来自其他进程的中断。

​ （3）自己造成的中断。

• 硬件中断：这类中断时发送给处理器或CPU的信号。
• 进程陷阱错误：进程可能会造成中断。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，他会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发给自己。
  ​
  （1）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存储进行调试。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；

​（2）内核模式下发生陷阱：原因是硬件错误或者是内核代码中的漏洞，在这种情况下，内核无法处理。在Unix/Uinux中，内核只打印一条PANIC错误的消息，然后停止，希望在下一个内核版本中可以跟踪并修复这些问题。

信号和中断的区别:

信号与中断的相似点：

采用了相同的异步通信方式；
当检测出有信号或中断请求时，都暂停正在执行的程序而转去执行相应的处理程序；
都在处理完毕后返回到原来的断点；
对信号或中断都可进行屏蔽。

信号与中断的区别：

中断有优先级，而信号没有优先级，所有的信号都是平等的；
信号处理程序是在用户态下运行的，而中断处理程序是在核心态下运行；
中断响应是及时的，而信号响应通常都有较大的时间延迟。

Unix/Linux中的信号处理

信号类型

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

信号的来源

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

（1）中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。

（2）间隔定时器，当他的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。

（3）其他硬件错误，如总线错误、IO陷进

• 来自异常的信号：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时SIGSEGV（11），表示段错误

• 来自其他进程的信号：进程可以使用kill（pid，sig）系统调用向pid标识的目标进程发送信号。

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，他还有一个信号MASK位向量，用来屏蔽相信的信号。

信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组int sig[32]。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。图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。

如果信号位向量中的位1为1，则会生成一个信号I或将其发送给进程。如果屏蔽位向量的位1为1，则信号会被阻塞或屏蔽。否则，信号未被阻塞。只有当信号存在并且未被阻塞时，信号才会生效或传递给进程。当内核模式下的进程发现一个未阻塞信号时，会将信号位清除为0，并尝试通过信号处理数组中的处理函数来处理该信号。0表示 DEFault，1表示IGNore，其他数值表示用户空间内预先安装的捕捉函数。

安装信号捕捉函数

进程可以使用系统调用

int r = signal(int signal_number,voide *handler);

来修改选定信号编号的处理函数，（19）和（9）除外，他们不能修改。

• signal()系统调用在所有类Unix系统中均可用，但它有一些不理想的特点。
  (1)在执行已安装的信号捕捉函数之前，通常将信号处理函数重置为DEFault。为捕捉下次出现的相同信号，必须重新安装捕捉函数。这可能会导致下一个信号和信号处理函数重新安装之间出现竞态条件。相反，sigaction()在执行当前捕捉函数时会自动阻塞下一个信号，因此不会出现竞态条件。
  ( 2 ) signal()不能阻塞其他信号。必要时，用户必须使用sigprocmask()显式地阻塞或解锁其他信号。相反，sigaction(可以指定要阻塞的其他信号。
  ( 3 ) signal()只能向捕捉函数发送一个信号编号。sigaction()可以传输关于信号的其他信息。

• signal()系统调用在所有类Unix系统中均可用，但它有一些不理想的特点。
  (1)在执行已安装的信号捕捉函数之前，通常将信号处理函数重置为DEFault。为捕捉下次出现的相同信号，必须重新安装捕捉函数。这可能会导致下一个信号和信号处理函数重新安装之间出现竞态条件。相反，sigaction()在执行当前捕捉函数时会自动阻塞下一个信号，因此不会出现竞态条件。
  ( 2 ) signal()不能阻塞其他信号。必要时，用户必须使用sigprocmask()显式地阻塞或解锁其他信号。相反，sigaction(可以指定要阻塞的其他信号。
  ( 3 ) signal()只能向捕捉函数发送一个信号编号。sigaction()可以传输关于信号的其他信息。

( 4 ) signal()可能不适用于多线程程序中的线程。sigaction()适用于线程。
(5）不同Unix版本的signal()可能会有所不同。sigaction()采用的是POISX标准，可移植性更好。

sigaction（）系统调用

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

• sigaction()结构体的定义为：

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

• 重要字段：
  ​ sa_handler:指向处理函数的指针，与signal()处理函数有相同的原型；

​ sa_sigaction：运行信号处理函数的另一种方法。它的信号编号旁边有两个额外参数，其中siginfo t *提供关于所接收信号的更多信息；

​ sa_mask：可在处理函数执行期间设置要阻塞的信号；

​ sa_flags：可修改信号处理进程的行为。若要使用sa_sigaction处理函数，必须将sa_flags设置为SA_SIGINFO。

信号处理步骤

• 当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为DEFault。然后，它会在用户模式下返回，以执行捅捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。因此，该进程会先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。

• 重置用户安装的信号捕捉函数:用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同 Unix版本中会有所不同。例如，在 BSD Unix中，信号处理函数不会被重置，但是该信号在执行信号捕捉函数时会被阻塞。感兴趣的读者可参考关于Lioux信号和 sigaction函数的手册页，以了解更多详细信息。

• 信号和唤醒:在Unix/Linux内核中有两种SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP状态,到达的信号(必须来自硬件中断或其他进程)不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优先级休眠，这种休眠是可中断的,SIGINT这类信号即可唤醒它。

Linux中的IPC

IPC是指用于进程间通信的机制。在Linux中，IPC包含以下部分

1）管道和FIFO

2）信号

3）System V IPC

4）POSIX消息队列

5）线程同步机制

6）套接字

实践：

代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<signal.h> 
#include<setjmp.h>
#include<string.h>
jmp_buf env;
int count = 0;
void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
printf ("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n",
	       	sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count); 
	if (count >= 4) // let it occur up to 4 times
		longjmp(env, 1234);
}
int BAD()
{
int *ip = 0;
printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
*ip = 123;	// dereference a NULL pointer
printf("should not see this line\n");
}
int main (int argc, char *argv[])
{
int r;
struct sigaction act;
memset(&act, 0, sizeof(act));
act.sa_sigaction = &handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGSEGV,&act,NULL);
if ((r = setjmp(env)) == 0)
	BAD();
else
	printf("proc %d survived SEGMENTATION FAULT: r=%d\n",getpid(), r);

printf("proc %d looping\n",getpid());
while(1);
}

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