APUE:信号

信号是软件中断,是比较底层的机制,这样一章断断续续看完了,但是很多地方都没有理解好。

信号提供了一种处理异步事件的方法,例如中断用户键入中断,会通过信号机制停止一个程序,或及早终止管道的下一个程序。信号机制在Unix的早起版本就提供了,不过早期的信号机制并不可靠,后来信号模型做了更改,增加了可靠信号机制(4.3 BSD、SVR3),POSIX.1对可靠信息号进行了标准化,现在的信号都基于这一标准。

概念

信号都有一个名字,信号的名字都是以 SIG 三个字符开头,信号在<signal.h>中定义为正整数常量(不同的系统可能定义在另外的头文件,不过那些头文件肯定会被 signal.h 包含),当然我们并不要去关心具体的定义是什么。

有多种方法向进程发送信号:

  1. 中断按键,常见 Ctrl+C 发送中断信号(SIGINT)
  2. 硬件异常产生信号,这是硬件检测到发送给内核的,如除数为0,无效的内存引用等
  3. 进程调用 kill 函数可以将任意信号发送给进程/进程组,前提是接收信号的进程和发送信号进程所有者相同。
  4. 用户在终端调用 kill 命令将信号发送给指定进程,常用来结束一个失控的后台进程, kill -9 pid
  5. 当系统检测到某种软件条件已经发生,并应将其通知有关进程时也产生信号。 产生信号的事件对于进程来说是随机出现的,进程不能简单地测试一个变量来判断是否产生一个信号(可以测试 errno 变量判断是否产生错误)。而是必须告诉内核,当这个信号发生时,请执行下面的操作。这有和事件注册有点像,事先对信号注册处理函数,在信号到达时由内核自动调用该函数处理。

当信号到达是,可以告诉内核按下列的方式之一进行处理。

  • 忽略该信号,大部分信号都是被忽略的,但有两种信号不能被忽略,SIGKILLSIGSTOP 这两个信号要确保在任何条件下,内核和超级用户都能通过这两个信号终止或停止这个进程
  • 捕捉信号,通知内核在某个信号到达时,执行一个用户定义函数。这是大部分信号相关应用要关心的。
  • 执行默认动作。 每个信号都对应一个默认动作,对大多数信号系统的默认动作就是终止进程

常见/常用的几个信号:

  1. SIGABRT 异常终止
  2. SIGALRM 定时器超时,使用这个信号实现 sleep 函数
  3. SIGCHLD 子进程状态改变,这在进程控制中使用过
  4. SIGHUP 连接断开
  5. SIGILL 非法硬件指令
  6. SIGINT 终端中断符,这是最常用的信号,特别是不允许 Ctrl+c 终止运行时
  7. SIGPOLL 可轮询事件(poll)
  8. SIGSEGV 无效内存引用/段错误/segment violation
  9. SIGWINCH 终端窗口大小改变/window change
  10. SIGUSR1 用户定义信号1
  11. SIGUSR2 用户定义信号2

signal 函数

signal是Unix系统信号机制最简单也是最重要的接口。它的函数声明如下:

#include <signal.h>
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);

这个声明有点复杂,要一点点分析:
首先,signal是一个函数指针,它的参数部分是int, void (*func)(int),我们知道第二个参数是一个指向函数的指针,这个函数返回值是void,参数是一个int,也就是调用signal函数要传入两个参数,第一个是信号名(信号名是一个SIG开头的常量,实际定义为整形),第二个参数是一个函数,这个函数没有返回值且要有一个int参数。

再看signal的返回值,signal的返回值是一个函数地址,返回的函数使用一个int作为参数,返回的函数没有返回值。也就是调用signal函数将返回一个函数指针。这是第一次见到。

signal函数原型有点复杂,可以用下面的方式方便理解,这个定义和上面的signal定义是等价的:

typedef void Sigfunc(int);
Sigfunc *singal(int Sigfunc *);

为什么signal要返回一个函数呢?这是因为使用signal为信号绑定了一个信号处理函数,那如果原来信号就有一个处理函数了呢?不能简单地丢掉它而要将它的引用返回给调用者,以防后面还需要它,所以signal函数的返回值是指向在此之前的信号处理程序的指针。这是很有用的,很多时候为一个信号绑定处理程序,过一段时间还要再恢复到原来的处理程序。

那如果绑定信号失败了呢?C语言中一般的调用失败反悔一个-1,但是 signal 调用返回的是一个函数指针,怎么通过一个函数指针判断是否绑定失败呢?还好系统定义了一个常量 SIG_ERR 只需要比较返回值和 SIG_ERR,如果它们相等则是signal调用失败。实际上 SIG_ERR常量也是一个函数指针,声明如下:

#include <signal.h>
#define SIG_ERR (void (*)())-1
#define SIG_DFL (void (*)())0
#define SIG_IGN (void (*)())1

另外两常量分别标识默认方法和忽略信号,即 default 和 ignore,它们可以用作 signal 方法的第二个参数。

signal的使用示例:


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

static void sig_user(int); // signal handler

int
main(void) {
if (signal(SIGUSR1, sig_user) == SIG_ERR)
printf("can't catch SIGUSR1\n");

if (signal(SIGUSR2, sig_user) == SIG_ERR)
printf("can't catch SIGUSR2\n");
for (;;)
pause();
}

static void
sig_user(int signo) {
if (signo == SIGUSR1)
printf("received sigusr1\n");
else if (signo == SIGUSR2)
printf("received sigusr2\n");
else printf("received signal %d\n", signo);
}

当一个进程调用fork时,其子进程继承父进程的信号处理方式,因为子进程在开始时复制了父进程内存映像,所以信号捕捉函数地址在子进程是有意义的。

在早起的Unix系统(如V7)中,信号是不可靠的,这是指信号可能会丢失,一个信号发生了,但是进程却可能一直不知道这一点,同时进程对信号的控控制能力也很差,当然这都是早起Unix系统能够存在的问题,不需要太过关心。

可重入函数/Reentrant Functions

由于信号处理程序是异步进行的,这就牵涉到主进程函数调用和信号处理程序之间可能造成的冲突了。

进程捕捉到信号并对其进行处理时,进程正在执行的正常指令序列就被信号处理程序临时中断,它首先执行该信号处理程序中的指令,如果从信号处理程序反悔,则继续执行在捕捉到信号时进程正在执行的指令序列。但是在信号处理程序中,不能判断捕捉到信号时进程执行到何处,如果进程正在执行 malloc ,在其堆中分配另外的存储空间,此时捕捉到信号而插入执行信号处理程序,若在信号处理中又调用 malloc,那么返回进程时原来的地址分配很可能出错,还有向 getpwnam 这样的结果存放在静态存储单元的函数,如果在信号处理程序调用了的话也会导致原来的数据被覆盖。

SUS说明了信号处理程序中保证调用安全的函数,这些函数被称为可重入的,并被称为是异步信号安全的。除了可重入之外,在信号处理操作期间,它会阻塞任何引起不一致的信号发送。常见的可重入函数也挺多的,不过大部分函数还是不可重入的,一个可重入函数的列表如下:

1 2 3 4 5
abort faccessat linkat select socketpair
accept fchmod listen sem_post stat
access fchmodat lseek send symlink
aio_error fchown lstat sendmsg symlinkat
aio_return fchownat mkdir sendto tcdrain
aio_suspend fcntl mkdirat setgid tcflow
alarm fdatasync mkfifo setpgid tcflush
bind fexecve mkfifoat setsid tcgetattr
cfgetispeed fork mknod setsockopt tcgetpgrp
cfgetospeed fstat mknodat setuid tcsendbreak
cfsetispeed fstatat open shutdown tcsetattr
cfsetospeed fsync openat sigaction tcsetpgrp
chdir ftruncate pause sigaddset time
chmod futimens pipe sigdelset timer_getoverrun
chown getegid poll sigemptyset timer_gettime
clock_gettime geteuid posix_trace_event sigfillset timer_settime
close getgid pselect sigismember times
connect getgroups raise signal umask
creat getpeername read sigpause uname
dup getpgrp readlink sigpending unlink
dup2 getpid readlinkat sigprocmask unlinkat
execl getppid recv sigqueue utime
execle getsockname recvfrom sigset utimensat
execv getsockopt recvmsg sigsuspend utimes
execve getuid rename sleep wait
_Exit kill renameat sockatmark waitpid
_exit link rmdir socket write

不可重入函数的特点是:

  • 已知它们使用静态数据结构,如 getpwnam
  • 它们调用 malloc 或 free,因为这些函数为它所分配的存储区维护了一个链表,插入信号处理程序可能修改这个链表。
  • 它们是标准I/O函数,标准IO函数的很多实现都以不可冲入方式使用全局数据结构。虽然有时在信号处理程序中使用 printf ,但这是不可靠的,这样信号处理程序可能中断主进程的 printf 函数调用。

还有一个要注意的就是 errno,我们知道它是定义在 <error.h>中的全局变量,用于说明前一个调用是否有错误,每个线程只有一个 errno,所以即使信号处理程序调用上面的可重入函数也可能会修改errno原值,常见的做法是在信号处理程序调用上表中的函数时,先保存errno,在调用后再恢复errno。

信号屏蔽字

每个进程都有一个信号屏蔽字(signal mask),就像文件创建权限屏蔽字。信号屏蔽字规定了当前要阻塞递送到进程的信号集合。回忆一下文件创建屏蔽字,用屏蔽字的一位代表一个权限,信号屏蔽字也是相似的思路,不过信号编号很多,可能会超过一个整形所包含的二进制位数,因此不能简单用一个整形表示。POSIX.1定义了一个数据类型 sigset_t 它可以容纳一个信号集。这个类型一般定义在 中,这个头文件被 包含,所以也不需要单独在包含了。

关于信号集,和一些常用的操作函数声明如下:

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set); # 清空信号集
int sigfillset(sigset_t *set); # 添加所有的信号到信号集
int sigaddset(sigset_t *set, int signo); # 向信号集添加一个信号
int sigdelset(sigset_t *set, int signo); # 从信号集删除一个信号
int sigismember(sigset_t *set, int signo); # 判断某个信号是否在信号集中

在应用程序使用信号集之前,都要对该信号集调用一次 sigemptyset 或者 sigfillset,因为C编译程序将不赋初值的外部变量和静态变量都初始化为0,而这与是否与个顶的信号集实现相对应是不清楚的。

函数: kill 和 raised

可以通过 kill 函数将信号发送给进程或者进程组,raised则允许向自身发送信号。

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);

pid可正可负可为0与-1,其意义与之前使用 pid_t 类型参数的方法一样,为负时表示进程组,0标识所有同一进程组的,-1标识发送给所有有权限的进程。

POSIX.1 将信号编号为0定义为空信号,如果signo为0,则kill仍执行正常的错误检查,但不发送信号,这常被用来确定一个特定的进程是否仍然存在。如果像一个不存在进程发送空信号,kill返回-1,errno设置为 ESRCH

函数 alarm 和 pause

SIGALRM是常用的信号,alarm函数可以设置一个定时器,在将来的某个时刻该定时器会超时,当定时器超时时,产生 SIGALRM 信号,如果忽略不捕捉这个信号,默认动作是终止调用该 alarm函数的进程。大部分使用 SIGALRM信号的进程都会捕捉该信号。

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

每个进程只有一个闹钟时间,如果在alarm时,之前已经注册的闹钟事件还没有超时,则该alarm调用的返回值为之前闹钟的剩余时间。

另一个 pause函数使调用进程挂起知道捕捉到一个信号。

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

只有执行了一个信号处理程序并从其返回时,pause才返回,这种情况下,pause返回-1,errno设置为 EINTR

设置信号屏蔽字 sigprocmask

进程的信号屏蔽字规定了当前阻塞而不能递送给该进程的信号集。调用函数 sigprocmask 可以检测或更改,或同时进行检测和更改信号屏蔽字。其函数声明如下:

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

如果oldset是非空指针,则将进程的当前信号屏蔽字保存到oldset中。
如果set是一个非空指针,则参数how指示如何修改当前屏蔽字

how有三个可选操作,它们是三个定义常量:

  • SIG_BLOCK 该进程新的屏蔽字是当前屏蔽字与set的并集,set中要包含希望阻塞的附加信号
  • SIG_UNBLOCK 新的屏蔽字是当前屏蔽字和set信号集补集的交集,所以set中要包含希望解除屏蔽的信号
  • SIG_SETMASK 新的屏蔽字是 set 指向的值

如果set是空指针,则不改变什么。sigprocmask是为单线程定义的,在多线程中使用另一个函数。

sigpending

sigpending 函数返回一个信号集,对于调用进程而言,返回的信号集中的各信号是阻塞不能递送的,同set参数返回。

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

这里有一个阻塞信号是否排队的问题,即一个信号在阻塞期间多次触发,系统是否将这些信号排队起来还是只保存最近的一个,大部分系统的实现只并不排队,只保存最近的一个信号。

sigaction

sigaction函数的功能是检查或修改于指定信号相关联的处理动作,此函数取代了Unix早起使用的signal函数,现代的signal函数实现中常使用 sigaction。这个函数比较复杂,其声明如下:

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *restrict act, struct sigaction *restrict oact);

这里的第二和第三个参数是 sigaction 结构体,注意结构体与函数重名是可以的,它们并不发生冲突。该结构体定义如下:

struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); // addr of signal handlerot SIG_DFL/SIG_IGN
sigset_t sa_mask; // additional signals to block
int sa_flags; // signal options
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *) // alternate handler
}

struct siginfo {
int si_signo;
int si_errno;
int si_code;
..
int si_status;
/** possibly other fields */
}

这两个结构体有点复杂。需要使用时再具体分析吧。Chapter 10.6 page 278

后面还有一些没看懂的,之后再补吧。

暂时完