Linux之信号

1.常见信号

虽然最开始的编号是1，最后的编号是64，但是并不是有64个信号，没有32和33号信号，也就是说，一共有62个信号，前31个信号是标准信号（非实时信号），后31个信号是实时信号。

上边的这些信号，各自会在什么条件下产生，默认处理动作是什么，都有在signal(7)中有详细说明，对应的命令是：man 7 signal

2.信号常见处理方式

1. 忽略此信号。

2. 执行该信号的默认处理动作。

3. 提供一个信号处理函数,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数,这种方式称为捕捉(Catch)一个信号 

3.如何产生信号 

通过终端按键产生信号

比如：ctrl+c 对应的是2号信号，即SIGINT,默认处理动作是终止进程；

          ctrl+\对应的是3号信号，即SIGQUIT，默认处理动作是终止进程并且Core Dump.

Core Dump:

首先解释什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的用户空间内存数据全部 保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump。进程异常终止通常是因为有Bug,比如非法内存访问导致段错误,事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug（事后调试)。一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存在PCB中)。默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件,首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K:$ ulimit -c 1024

其实在之前讲获取子进程status时，当进程是被信号所杀时，有一个比特位是core dump标志位，

core dump就是表征是否发生了  核心转储  ，即当进程出现某种异常的时候，是否由OS将当前进程在内存中的相关核心数据，储存到磁盘中，方便进行调试！！！

为什么生产环境一般都是关闭core dump的，原因是因为core文件的大小相对一般文件来说较大，占空间较大，如果默认打开的话，会形成大量的占内存的core文件，会降低OS的性能。

下面引入Core Dump

先写了一个死循环的代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
 
int main()
{
    std::cout<<"pid:  "<<getpid()<<std::endl;
    while(1)
    {}
    return 0;
}

运行进程，通过ctrl+c终止进程，发现并没有形成core dump文件 

运行进程，通过ctrl+\终止进程，发现形成了core dump文件

其实我们不难发现，上边为我们在查看信号对应的处理动作时，发现了2号对应的Term和3号对应的Core

下面再举一个例子：

​
#include <iostream>
#include <unistd.h>
 
int main()
{
    std::cout<<"pid:  "<<getpid()<<std::endl;
    int *p = nullptr;
    *p = 100;
    return 0;
}
 
​

通过事后用gdb检查core文件，就很容易发现问题所在了！

调用系统函数向进程发信号

举一个例子：

​
#include <iostream>
#include <unistd.h>
 
int main()
{
    while(1)
    {}
    return 0;
}
 
​

通过上边我们发现，多按了一次回车，段错误的报错信息才打出来了，原因是因为在终止掉25299进程之前已经回到Shell提示符等待用户输入下一条命令了，但是Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交织在一起，所以等待用户输入命令之后才显示。 

上边的代码本身没有错误，只是因为通过系统函数给进程发送了11号信号（SIGSEGV）导致的。

kill

成功返回0，失败返回-1

raise

成功返回0，失败返回-1

abort

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止，就像exit函数一样，abort函数总是会成功的，所以没有返回值。

由软件条件产生信号

下面通过两个例子来介绍

例1：SIGPIPE

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(n != -1);
    (void)n;
 
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    if (id == 0)
    {
        close(pipefd[0]);
        string message = "我是子进程，我正在给你发消息";
        char send_buffer[1024 * 8];
        int count=0;
        while (true)
        {
            snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",
                    message.c_str(), getpid(), count++);
            write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));
            sleep(1);
        }
    }
    
    close(pipefd[1]);
    int num=0;
    char buffer[1024 * 8];
    while (true)
    {
        ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            cout << "get a message[" << getpid() << "] # " << buffer << endl;
        }
        if (num++ == 5){
            break;
        }
    }
    
 
    close(pipefd[0]);
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    printf("exit code:%d\n", status&0X7F);
    return 0;
}

上边的代码，首先是创建匿名管道，然后让父进程进行读取，子进程一直进行写入，父子进程通信5秒，然后让父进程关闭读端，并且进行waitpid，子进程退出后，父进程waitpid拿到子进程的退出status，提取出退出信号

我们发现，子进程的退出信号是13，即SIGPIPE.

这个例子就是由软件条件产生信号，管道，读端不光不读了，而且还关闭了，写端一直写就没有意义，此时OS会自动终止对应的写进程，通过发送信号的方式，SIGPIPE（13号信号）。

例2：alarm

int main()
{
    int count=0;
    alarm(5);
    while(1)
    {
        cout<<"[count: "<< count <<"]"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

输出结果： 

alarm函数：

调用 alarm 函数可以设定一个闹钟 , 也就是告诉内核在 seconds 秒之后给当前进程发 SIGALRM 信号 , 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

硬件异常产生信号

void handler(int sig)
{
    printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main()
{
    signal(SIGSEGV, handler);
    int *p = NULL;
    *p = 100;
    while(1)
    {}
    return 0;
}

输出结果：我们会发现不停地打印catch a sig : 11 

原因是：硬件一次被硬件以某种方式被硬件检测并通知内核，然后内核向当前进程发生信号，例如当前进程执行了除0，CPU的原酸单元会产生异常，解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如上边的例子中进程访问了非法内存地址，MMU会产生异常，内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

4.阻塞信号

信号的有关概念

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)

信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。

进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。

被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.

注意,阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

信号再内核中的表示

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。

SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。

SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。

如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。 

过程即为：pending ->  block  ->  handler(接收到信号，查看该信号是否被阻塞，没被阻塞就执行对应的处理动作) 

sigset_t

从上图来看,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。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, 比如用 printf 直接打印 sigset_t 变量是没有意义的

#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);

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清零,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置位,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。

sigprocmask

#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

sigpending

下面通过代码来使用一下上面的函数：

static void showPending(sigset_t &pending)
{
    for (int sig = 1; sig <= 31; sig++)
    {
        if (sigismember(&pending, sig))
            std::cout << "1";
        else
            std::cout << "0";
    }
    std::cout << std::endl;
}
 
static void blockSig(int sig)
{
    sigset_t bset;
    sigemptyset(&bset);
    sigaddset(&bset, sig);
    int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, nullptr);
    assert(n == 0);
    (void)n;
}
 
int main()
{
    for(int sig = 1; sig <= 31; sig++)
    {
        blockSig(sig);
    }
    sigset_t pending;
    while(true)
    {
        sigpending(&pending);
        showPending(pending);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

输出结果： 

 通过kill由OS不断地给进程传1-31号信号（除9,19,20号信号，因为会导致进程终止）

通过man 7 signal会看到上边的内容，SIGKILL和SIGSTOP信号无法被捕获，阻塞，忽略。

即不会创建出一个不会被杀死的进程 ，因为无法将SIGKILL和SIGSTOP信号捕获，阻塞，忽略。

5.捕捉信号

信号产生后，信号可能无法被立即处理，OS将会在合适的时候进行处理-------从内核态返回用户态的时候，OS会进行信号检测和处理！！！

上面的右边的图中，四个蓝色的点是内核态与用户态之间发生切换的时候，红色的点是OS进行信号检测和处理的时候。

CPU寄存器有两套，一套是可见的，另一套是不可见的（OS自己使用的），其中有一个CR3寄存器，使用率表示当前CPU的执行权限  1（内核态） ，3（用户态）。

sigaction

#include <signal.h>

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回  - 1。signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非 空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:

sigaction 的结构如下：

将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。 

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。 sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数。

可重入函数与不可重入函数

函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称

为重入。

函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为 不可重入函数,

反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数。

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

volatile是一个C/C++关键字，主要用于处理与多线程、中断处理和硬件寄存器等相关的情况。其含义是“易变的”，用于告诉编译器当前变量是易变的，需要在每次使用时都从内存中重新获取值，不应该使用寄存器来存储其值。

int flag = 0;
 
void changeFlag(int signum)
{
    (void)signum;
    cout <<"change flag: "<< flag;
    flag = 1;
    cout << "->" << flag << endl;
}
 
int main()
{
    signal(2, changeFlag);
    while(!flag);
    cout << "进程正常退出后：" << flag << endl;
}

当我们使用g++ -O3（g++优化等级最高）进行编译时：

我们发现每发送2号信号后，进程并没有终止。原因是因为，gcc编译的时候进行了优化，他发现main函数内，并没有对flag进行修改的代码，于是每次while进行判断的时候，使用的是储存在寄存器中的值（一直不会发生改变），所以即便进程捕获了2号信号，进程也不会退出。

当在 int flag=0;  前面加了  volatile 关键字后，即  volatile int flag=0;

6.SIGCHLD

int main()
{
    // OS 默认就是忽略的
    // signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 手动设置对子进程进行忽略
 
    if(fork() == 0)
    {
        cout << "child: " << getpid() << endl;
        sleep(5);
        exit(0);
    }
 
    while(true)
    {
        cout << "parent: " << getpid() << " 执行我自己的任务!" << endl;
        sleep(1);
    }
}

当我们不对 SIGCHLD 设置 成忽略，通过man 7 signal 查看到OS默认对SIGCHLD是进行忽略的，此时结果是：

当用户显性对 SIGCHLD 设置SIG_IGN时，结果是：

即此时如果我们不等待子进程，子进程退出后，OS自动释放僵尸子进程。