淺談Linux信號機制

目錄

一、信號列表

root@ubuntu:# kill -l

 1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP

 6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1

11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM

16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP

21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ

26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR

31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3

38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8

43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13

48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12

53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7

58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2

63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX

其中最常見(jiàn)的:

• Ctrl + C 觸發(fā)的是 SIGINT;
• Ctrl + \ 觸發(fā)的是SIGQUIT;
• 但是特別說(shuō)明下 Ctrl + D 并不是觸發(fā)信號，而是產(chǎn)生一個(gè) EOF，這也是為什么在 Python 交互模式按下這個(gè)組合會(huì )退出 Python 的原因。

1.1、實(shí)時(shí)信號非實(shí)時(shí)信號

如上，kill列舉出所有信號。實(shí)時(shí)信號與非實(shí)時(shí)信號又叫做可靠信號與不可靠信號。SIGRTMIN 及其以后的是實(shí)時(shí)信號，之前的是非實(shí)時(shí)信號。區別是實(shí)時(shí)信號支持重復排隊，但是非實(shí)時(shí)信號不支持。非實(shí)時(shí)信號在排隊時(shí)候會(huì )默認只出現一次，意思就是即使多次發(fā)送也終將只收到一個(gè)。在隊列的取出順序上也有區別，即最先取出的信號一定是實(shí)時(shí)信號。

PS：

• kill、killall 默認發(fā)送SIGTERM 信號。
• linux下 SIGKILL不能被阻塞、或忽略。
• 默認情況下 SIGCHLD 不被忽略，編程時(shí)候需要注意這個(gè)（要么設置 SIG_IGN 或者主動(dòng) wait）。
• 所有未定義處理函數的信號，默認退出進(jìn)程。
• 信號被設置block后仍存在于隊列中只是不被處理，如果放開(kāi)屏蔽將會(huì )被處理。
• 信號可以中斷sleep調用引起睡眠的進(jìn)程。

1.2、信號狀態(tài)

信號的”未決“是一種狀態(tài)，指的是從信號的產(chǎn)生到信號被處理前的這一段時(shí)間；信號的”阻塞“是一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，指的是阻止信號被處理，但不是阻止信號產(chǎn)生。

例如在sleep前用 sigprocmask 阻塞了退出信號，然后sleep,然后在sleep的過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)退出信號，但是此時(shí)退出信號被阻塞過(guò)，（中文的”阻塞”在這里容易被誤解為一種狀態(tài)，實(shí)際上是一種類(lèi)似于開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，所以說(shuō)“被阻塞過(guò)”，而不是“被阻塞”）所以處于“未決”狀態(tài)，在 sleep后又用sigprocmask關(guān)掉退出信號的阻塞開(kāi)關(guān)，因為之前產(chǎn)生的退出信號一直處于未決狀態(tài)，當關(guān)上阻塞開(kāi)關(guān)后，馬上退出“未決”狀態(tài)，得到處理，這一切發(fā)生在sigprocmask返回之前。

1.3、信號生命周期

對于一個(gè)完整的信號生命周期(從信號發(fā)送到相應的處理函數執行完畢)來(lái)說(shuō)，可以分為三個(gè)重要的階段，這三個(gè)階段由四個(gè)重要事件來(lái)刻畫(huà)：

1.信號誕生；

2. 信號在進(jìn)程中注冊完畢；

3.信號在進(jìn)程中的注銷(xiāo)完畢；

4.信號處理函數執行完畢。相鄰兩個(gè)事件的時(shí)間間隔構成信號生命周期的一個(gè)階段。

下面闡述四個(gè)事件的實(shí)際意義：

• 信號"誕生"。信號的誕生指的是觸發(fā)信號的事件發(fā)生（如檢測到硬件異常、定時(shí)器超時(shí)以及調用信號發(fā)送函數kill()或sigqueue()等）。
• 信號在目標進(jìn)程中"注冊"；進(jìn)程的task_struct結構中有關(guān)于本進(jìn)程中未決信號的數據成員：

struct sigpending pending;
struct sigpending
{
    struct sigqueue *head, **tail;
    sigset_t signal;
};

信號在進(jìn)程中注冊指的就是信號值加入到進(jìn)程的未決信號集中（sigpending結構的第二個(gè)成員sigset_t signal），并且信號所攜帶的信息被保留到未決信號信息鏈的某個(gè)sigqueue結構中。只要信號在進(jìn)程的未決信號集中，表明進(jìn)程已經(jīng)知道這些信號的存在，但還沒(méi)來(lái)得及處理，或者該信號被進(jìn)程阻塞。

1.信號在進(jìn)程中的注銷(xiāo)。在目標進(jìn)程執行過(guò)程中，會(huì )檢測是否有信號等待處理（每次從系統空間返回到用戶(hù)空間時(shí)都做這樣的檢查）。如果存在未決信號等待處理且該信號沒(méi)有被進(jìn)程阻塞，則在運行相應的信號處理函數前，進(jìn)程會(huì )把信號在未決信號鏈中占有的結構卸掉。是否將信號從進(jìn)程未決信號集中刪除對于實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)信號是不同的。對于非實(shí)時(shí)信號來(lái)說(shuō)，由于在未決信號信息鏈中最多只占用一個(gè)sigqueue結構，因此該結構被釋放后，應該把信號在進(jìn)程未決信號集中刪除（信號注銷(xiāo)完畢）；而對于實(shí)時(shí)信號來(lái)說(shuō)，可能在未決信號信息鏈中占用多個(gè)sigqueue結構，因此應該針對占用gqueue結構的數目區別對待：如果只占用一個(gè)sigqueue結構（進(jìn)程只收到該信號一次），則應該把信號在進(jìn)程的未決信號集中刪除（信號注銷(xiāo)完畢）。否則，不在進(jìn)程的未決信號集中刪除該信號（信號注銷(xiāo)完畢）。進(jìn)程在執行信號相應處理函數之前，首先要把信號在進(jìn)程中注銷(xiāo)。

2.信號生命終止。進(jìn)程注銷(xiāo)信號后，立即執行相應的信號處理函數，執行完畢后，信號的本次發(fā)送對進(jìn)程的影響徹底結束。

1.4、信號的執行和注銷(xiāo)

內核處理一個(gè)進(jìn)程收到的軟中斷信號是在該進(jìn)程的上下文中，因此，進(jìn)程必須處于運行狀態(tài)。當其由于被信號喚醒或者正常調度重新獲得CPU時(shí)，在其從內核空間返回到用戶(hù)空間時(shí)會(huì )檢測是否有信號等待處理。如果存在未決信號等待處理且該信號沒(méi)有被進(jìn)程阻塞，則在運行相應的信號處理函數前，進(jìn)程會(huì )把信號在未決信號鏈中占有的結構卸掉。當所有未被屏蔽的信號都處理完畢后，即可返回用戶(hù)空間。對于被屏蔽的信號，當取消屏蔽后，在返回到用戶(hù)空間時(shí)會(huì )再次執行上述檢查處理的一套流程。

處理信號有三種類(lèi)型：進(jìn)程接收到信號后退出；進(jìn)程忽略該信號；進(jìn)程收到信號后執行用戶(hù)設定用系統調用signal的函數。當進(jìn)程接收到一個(gè)它忽略的信號時(shí)，進(jìn)程丟棄該信號，就象沒(méi)有收到該信號似的繼續運行。如果進(jìn)程收到一個(gè)要捕捉的信號，那么進(jìn)程從內核態(tài)返回用戶(hù)態(tài)時(shí)執行用戶(hù)定義的函數。而且執行用戶(hù)定義的函數的方法很巧妙，內核是在用戶(hù)棧上創(chuàng )建一個(gè)新的層，該層中將返回地址的值設置成用戶(hù)定義的處理函數的地址，這樣進(jìn)程從內核返回彈出棧頂時(shí)就返回到用戶(hù)定義的函數處，從函數返回再彈出棧頂時(shí)，才返回原先進(jìn)入內核的地方。這樣做的原因是用戶(hù)定義的處理函數不能且不允許在內核態(tài)下執行（如果用戶(hù)定義的函數在內核態(tài)下運行的話(huà)，用戶(hù)就可以獲得任何權限）。

eg：

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

void myHandler(int num)
{
    int ret = 0;
    
    if (SIGUSR1 == num)
    {
        sigset_t set;
        ret = sigemptyset(&set);
        assert(!(-1 == ret));
        ret = sigaddset(&set, SIGINT);
        assert(!(-1 == ret));
        ret = sigaddset(&set, SIGRTMIN);
        assert(!(-1 == ret));
        ret = sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
        assert(!(-1 == ret));
        printf("解除阻塞 recv sig num: %d\n", num);
    }
    else if (num == SIGINT || num == SIGRTMIN)
    {
        printf("recv sig num: %d\n", num);
    }
    else
    {
        printf(" 其他信號recv sig num: %d\n", num);
    }
}

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int ret = 0;
    // 設置回調函數
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = myHandler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;
    // 注冊非實(shí)時(shí)信號的處理函數
    ret = sigaction(SIGINT, &act, NULL);
    assert(!(-1 == ret));
    // 注冊實(shí)時(shí)信號的處理函數
    ret = sigaction(SIGRTMIN, &act, NULL);
    assert(!(-1 == ret));
    // 注冊用戶(hù)自定義信號
    ret = sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);
    assert(!(-1 == ret));
    
    // 把 SIGINT  SIGRTMIN 軍添加到阻塞狀態(tài)字中
    sigset_t set;
    ret = sigemptyset(&set);
    assert(!(-1 == ret));
    ret = sigaddset(&set, SIGINT);
    assert(!(-1 == ret));
    ret = sigaddset(&set, SIGRTMIN);
    assert(!(-1 == ret));
    ret = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
    assert(!(-1 == ret));
    
    pid = fork();
    assert(!(-1 == ret));
    if (0 == pid)
    {
        union sigval value;
        value.sival_int = 10;
        int i = 0;
        // 發(fā)三次不穩定信號
        for (i = 0; i < 3; i++)
        {
            ret = sigqueue(getppid(), SIGINT, value);
            assert(!(-1 == ret));
            printf("發(fā)送不可靠信號 ok\n");
        }
        
        // 發(fā)三次穩定信號
        value.sival_int = 20;
        for (i = 0; i < 3; i++)
        {
            ret = sigqueue(getppid(), SIGRTMIN, value);
            assert(!(-1 == ret));
            printf("發(fā)送可靠信號ok\n");
        }
        // 向父進(jìn)程發(fā)送 SIGUSR1 解除阻塞
        ret = kill(getppid(), SIGUSR1);
        assert(!(-1 == ret));
    }
    while (1)
    {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

二、信號掩碼和信號處理函數的繼承

2.1、信號處理函數的繼承

信號處理函數是進(jìn)程屬性，所以進(jìn)程里的每個(gè)線(xiàn)程的信號處理函數是相同的。通過(guò)fork創(chuàng )建的子進(jìn)程會(huì )繼承父進(jìn)程的信號處理函數。execve 后設置為處理的信號處理函數會(huì )被重置為默認函數，設置為忽略的信號保持不變。意思是如果父進(jìn)程里信號設置處理為SIG_IGN，那么等到子進(jìn)程被exec了，這個(gè)信號的處理還是被忽略，不會(huì )重置為默認函數。

eg：

// test.c --> test
#include <stdlib.h>
  
typedef void (*sighandler_t)(int);
static sighandler_t old_int_handler;
  
static sighandler_t old_handlers[SIGSYS + 1];
  
void sig_handler(int signo)
{
    printf("receive signo %d\n",signo);
    old_handlers[signo](signo);
}
  
int main(int argc, char **argv)
{
    old_handlers[SIGINT] = signal(SIGINT, SIG_IGN);
    old_handlers[SIGTERM] = signal(SIGTERM, sig_handler);
  
    int ret;
  
    ret = fork();
    if (ret == 0) {
        //child
        // 這里execlp將運行 test2 作為子進(jìn)程。
        execlp("/tmp/test2", "/tmp/test2",(char*)NULL);
    }else if (ret > 0) {
        //parent
        while(1) {
            sleep(1);
        }
    }else{
        perror("");
        abort();
    }
  
}
  
================================================
test2.c --> test2
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
    while(1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

結論：test換成test2后，SIGINT的處理方式還是忽略，SIGTERM被重置為默認的方式。

2.2、信號掩碼的繼承

信號掩碼有以下規則：

1.每個(gè)線(xiàn)程可以有自己信號掩碼。

2.fork出來(lái)的子進(jìn)程會(huì )繼承父進(jìn)程的信號掩碼，exec后信號掩碼保持不變。如果父進(jìn)程是多線(xiàn)程，那么子進(jìn)程只繼承主線(xiàn)程的掩碼。

3.針對進(jìn)程發(fā)送的信號，會(huì )被任意的沒(méi)有屏蔽該信號的線(xiàn)程接收，注意只有一個(gè)線(xiàn)程會(huì )隨機收到。linux下如果都可以所有線(xiàn)程都可以接收信號，那么信號將默認發(fā)送到主線(xiàn)程，posix系統是隨機發(fā)送。

4.fork之后子進(jìn)程里pending的信號集初始化為空，exec會(huì )保持pending信號集。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
  
typedef void (*sighandler_t)(int);
  
static void *thread1(void *arg)
{
    sigset_t set;
      
    printf("in thread1\n");
  
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGTERM);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

    while(1) {
        sleep(1);
    }
}
  
static void sigset_print(sigset_t *set)
{
    int i;
  
    for (i = 1; i <= SIGSYS; i++) {
        if (sigismember(set, i)) {
            printf("signal %d is in set\n",i);
        }
    }
}
  
int main(int argc, char **argv)
{
    int ret;
    sigset_t set;
    pthread_t pid;
  
    pthread_create(&pid, NULL, thread1, NULL);
    sleep(1);
  
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
  
    ret = fork();
    if (ret == 0) {
        //child
        pthread_sigmask(SIG_BLOCK, NULL, &set);
        sigset_print(&set);
  
        while(1) {
            sleep(1);
        }
    }else if (ret > 0) {
        //parent
        while(1) {
            sleep(1);
        }
    }else{
        perror("");
        abort();
    }
  
}

結論：只有在主線(xiàn)程里設置的掩碼才被子進(jìn)程繼承了。這里面的原因在于linux里的fork只是復制了調用fork()的那個(gè)線(xiàn)程，因此在子進(jìn)程里只有父進(jìn)程的主線(xiàn)程被拷貝了，當然信號掩碼就是父進(jìn)程的主線(xiàn)程的信號掩碼的復制了。再次驗證證明，如果是在thread1里調用fork，那么子進(jìn)程的信號掩碼就會(huì )是thread1的拷貝了。

2.3、sigwait 與多線(xiàn)程

sigwait函數：sigwait等一個(gè)或者多個(gè)指定信號發(fā)生。

它所做的工作只有兩個(gè)：

第一，監聽(tīng)被阻塞的信號；

第二，如果所監聽(tīng)的信號產(chǎn)生了，則將其從未決隊列中移出來(lái)。sigwait并不改變信號掩碼的阻塞與非阻塞狀態(tài)。

在POSIX標準中，當進(jìn)程收到信號時(shí)，如果是多線(xiàn)程的情況，我們是無(wú)法確定是哪一個(gè)線(xiàn)程處理這個(gè)信號。而sigwait是從進(jìn)程中pending的信號中，取走指定的信號。這樣的話(huà)，如果要確保sigwait這個(gè)線(xiàn)程收到該信號，那么所有線(xiàn)程含主線(xiàn)程以及這個(gè)sigwait線(xiàn)程則必須block住這個(gè)信號，因為如果自己不阻塞就沒(méi)有未決狀態(tài)(阻塞狀態(tài))信號，別的所有線(xiàn)程不阻塞就有可能當信號過(guò)來(lái)時(shí)，被其他的線(xiàn)程處理掉。

PS：

在多線(xiàn)程代碼中，總是使用sigwait或者sigwaitinfo或者sigtimedwait等函數來(lái)處理信號。而不是signal或者sigaction等函數。因為在一個(gè)線(xiàn)程中調用signal或者sigaction等函數會(huì )改變所以線(xiàn)程中的信號處理函數，而不是僅僅改變調用signal/sigaction的那個(gè)線(xiàn)程的信號處理函數。

2.4、多進(jìn)程下的信號

多進(jìn)程下鍵盤(pán)觸發(fā)的信號會(huì )同時(shí)發(fā)送到當前進(jìn)程組的所有進(jìn)程。如果一個(gè)程序在執行時(shí) fork 了多個(gè)子進(jìn)程，那么按鍵觸發(fā)的信號將會(huì )被這個(gè)程序的所有進(jìn)程收到。

但是與多線(xiàn)程不一樣，多進(jìn)程下的信號掩碼和信號處理函數是獨立的。每個(gè)進(jìn)程都可以選擇處理或者不處理，也可以設置自己的信號掩碼。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    pid_t pid = fork();

    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    if (pid < 0)
        printf("error fork\n");
    else if (pid == 0)
    {
        signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略 SIGINT，這樣 ctrl+c 后子進(jìn)程能活下來(lái); 不設置的話(huà)，收到信號將退出
        printf("child gid = %ld\n", getpgid(getpid()));
        do
        {
            sleep(1);
        } while (1);
    }
    else
    {
        printf("parent gid = %ld\n", getpgid(getpid()));
        do
        {
            sleep(1);
        } while (1);
    }

    return 0;
}

如上圖，可以看到，收到SIGINT 后父進(jìn)程退出，子進(jìn)程因為設置了忽略 SIGINT 所以子進(jìn)程沒(méi)有受到影響。

三、apis

3.1、信號發(fā)生函數

1.kill(pid_t pid, int signum);

2.int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

3.pthread_kill(pthread_t tid, int signum);

4.raise(int signum);// 發(fā)送信號到自己

5.void alarm(void);

6.void abort(void);

7.int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

PS：

sigqueue()比kill()傳遞了更多的附加信息，但sigqueue()只能向一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信號，而不能發(fā)送信號給一個(gè)進(jìn)程組。如果signo=0，將會(huì )執行錯誤檢查，但實(shí)際上不發(fā)送任何信號，0值信號可用于檢查pid的有效性以及當前進(jìn)程是否有權限向目標進(jìn)程發(fā)送信號。

3.2、信號處理函數

1.signal(int signum, void (*handler)(int signum))

2.sigaction(int signum, struct sigaction* newact, sigaction* oldact)

sigaction act;
act.sa_handler = handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
// 注冊信號的處理函數
sigaction(SIGINT, act, NULL);

3.3、信號掩碼函數

1.sigprocmask(int how, struct sigaction* set,struct sigaction* oldset)

2.pthread_sigmask(int how, struct sigaction* set,struct sigaction* oldset)

sigprocmask用于設置進(jìn)程的信號掩碼，pthread_sigmask用于設置線(xiàn)程的信號掩碼，二者參數相同。第一個(gè)參數有SIG_BLOCK, SIG_UNBLOCK, SIG_SETMASK。

3.4、信號集合變量

sigset_t set

sigemptyset(&set) //清空阻塞信號集合變量

sigfillset(&set)  //添加所有的信號到阻塞集合變量里

sigaddset(&set,SIGINT) //添加單一信號到阻塞信號集合變量

sigdelset(&set,SIGINT) //從阻塞信號集合變量中刪除單一信號

sigismember(&set，int signum) //測試信號signum是否包含在信號集合set中，如果包含返回1，不包含返回0，出錯返回-1。錯誤代碼也只有一個(gè)EINVAL，表示signum不是有效的信號代碼。

3.5、信號屏蔽函數

1.int sigpending(sigset_t *set); // 返回阻塞的信號集

2.int sigsuspend(const sigset_t *mask);

sigsuspend表示臨時(shí)將信號屏蔽字設為mask，并掛起進(jìn)程直到有信號產(chǎn)生(非屏蔽信號才能喚醒或終止進(jìn)程)，如果信號處理函數返回，那么siguspend將恢復之前的信號屏蔽字(temporarily)

假設sisuspend阻塞進(jìn)程時(shí)產(chǎn)生了信號A，且A不是mask內的屏蔽信號，那么A的信號處理函數有兩種情形，

一：直接終止進(jìn)程，此時(shí)進(jìn)程都不存在了，那么sigsuspend當然無(wú)須返回了(不存在進(jìn)程了sigsuspend也不存在了,函數棧嘛);

二：如果信號A的處理函數返回，那么信號屏蔽字恢復到sigsuspend之前的(sigsuspend調用時(shí)將信號屏蔽字設為mask，所以要恢復到sigsuspend調用之前的)，然后sigsuspend返回-1并將error置為EINTR.

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