一篇文章带你彻底弄懂Linux中的信号

编程入门 行业动态 更新时间:2024-10-27 09:46:59

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一篇文章带你彻底弄懂Linux中的信号

文章目录

  • 一、信号类型
    • 1.概念
    • 2.信号表
  • 二、信号产生
    • 1.硬件方式
    • 2.软件方式
  • 三、信号的注册和注销
    • 1.注册
    • 2.注销
  • 四、信号处理
    • 1.信号集操作函数
    • 2.其它操作函数
    • 3.信号捕捉


一、信号类型

信号(signal)是一种软中断,信号机制是进程间通信的一种方式,采用异步通信方式。

Linux系统共定义了64种信号,分为两大类:可靠信号与不可靠信号,前32种信号为不可靠信号,后32种为可靠信号。

1.概念

  • 不可靠信号: 也称为非实时信号,不支持排队,信号可能会丢失, 比如发送多次相同的信号, 进程只能收到一次. 信号值取值区间为1~31;

  • 可靠信号: 也称为实时信号,支持排队, 信号不会丢失, 发多少次, 就可以收到多少次. 信号值取值区间为32~64

2.信号表

在终端,可通过kill -l查看所有的signal信号。

取值名称解释默认动作
1SIGHUP挂起
2SIGINT中断
3SIGQUIT退出
4SIGILL非法指令
5SIGTRAP断点或陷阱指令
6SIGABRTabort发出的信号
7SIGBUS非法内存访问
8SIGFPE浮点异常
9SIGKILLkill信号不能被忽略、处理和阻塞
10SIGUSR1用户信号1
11SIGSEGV无效内存访问
12SIGUSR2用户信号2
13SIGPIPE管道破损,没有读端的管道写数据
14SIGALRMalarm发出的信号
15SIGTERM终止信号
16SIGSTKFLT栈溢出
17SIGCHLD子进程退出默认忽略
18SIGCONT进程继续
19SIGSTOP进程停止不能被忽略、处理和阻塞
20SIGSTP进程停止
21SIGTTIN进程停止,后台进程从终端读数据时
22SIGTTOU进程停止,后台进程向终端写数据时
23SIGURGI/O有紧急数据到达当前进程默认忽略
24SIGXCPU进程的CPU时间片到期
25SIGXFSZ文件的大小超出上限
26SIGVTALRM虚拟时钟超时
27SIGPROFprofile时钟超时
28SIGWINCH窗口大小改变默认忽略
29SIGIOI/O相关
30SIGPWR关机默认忽略
31SIGSYS系统调用异常

对于signal信号,绝大部分的默认处理都是终止进程或停止进程,或dump内核映像转储。 上述的31的信号为非实时信号,其他的信号32-64 都是实时信号。

Core Dump(核心转储)

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。

打开 core dump 功能:

  • 在终端中输入命令 ulimit -c ,输出的结果为 0,说明默认是关闭 core dump 的,即当程序异常终止时,也不会生成 core dump 文件。
  • 我们可以使用命令 ulimit -c unlimited 来开启 core dump 功能,并且不限制 core dump 文件的大小; 如果需要限制文件的大小,将 unlimited 改成你想生成 core 文件最大的大小,注意单位为 blocks(KB)。
  • 用上面命令只会对当前的终端环境有效,如果想永久生效,可以修改文件 /etc/security/limits.conf文件。

二、信号产生

信号来源分为硬件类和软件类:

1.硬件方式

  • 用户输入:比如在终端上按下组合键ctrl+C,产生SIGINT信号;
  • 硬件异常:CPU检测到等异常,通知内核生成相应信号,并发送给发生事件的进程;

2.软件方式

通过系统调用,发送signal信号:kill(),raise(),sigqueue(),alarm(),setitimer(),abort()

  • kernel,使用 kill_proc_info()等
  • native,使用 kill() 或者raise()等
  • java,使用 Procees.sendSignal()等

三、信号的注册和注销

1.注册

在进程task_struct结构体中有一个未决信号的成员变量 struct sigpending pending。每个信号在进程中注册都会把信号值加入到进程的未决信号集。

  • 非实时信号发送给进程时,如果该信息已经在进程中注册过,不会再次注册,故信号会丢失;
  • 实时信号发送给进程时,不管该信号是否在进程中注册过,都会再次注册。故信号不会丢失;

2.注销

  • 非实时信号:不可重复注册,最多只有一个sigqueue结构;当该结构被释放后,把该信号从进程未决信号集中删除,则信号注销完毕;
  • 实时信号:可重复注册,可能存在多个sigqueue结构;当该信号的所有sigqueue处理完毕后,把该信号从进程未决信号集中删除,则信号注销完毕;

四、信号处理

相关概念:

  • 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.

接下来我们分析一下Linux对信号处理机制的实现原理。

在进程管理结构 task_struct 中有几个与信号处理相关的字段,如下:

struct task_struct { ... int sigpending; //表示进程是否有信号需要处理(1表示有,0表示没有)... struct signal_struct *sig; //表示信号相应的处理方法,其类型是 struct signal_structsigset_t blocked; //表示被屏蔽的信息,每个位代表一个被屏蔽的信号struct sigpending pending; //用pending队列来接收信号... 
} 

其中signal_struct 结构如下:

#define  _NSIG  64 struct signal_struct { atomic_t  count; struct k_sigaction action[_NSIG]; spinlock_t  siglock; 
}; typedef void (*__sighandler_t)(int); struct sigaction { __sighandler_t sa_handler; unsigned long sa_flags; void (*sa_restorer)(void); sigset_t sa_mask; 
}; struct k_sigaction { struct sigaction sa; 
}; 

可以看出,signal_struct 是个比较复杂的结构,其 action 成员是个 struct k_sigaction 结构的数组,数组中的每个成员代表着相应信号的处理信息,而 struct k_sigaction 结构其实是 struct sigaction 的简单封装。

我们再来看看 struct sigaction 这个结构,其中 sa_handler 成员是类型为 __sighandler_t 的函数指针,代表着信号处理的方法。

最后我们来看看 struct task_struct 结构的 pending 成员,其类型为 struct sigpending,存储着进程接收到的信号队列,struct sigpending 的定义如下:

struct sigqueue { struct sigqueue *next; siginfo_t info; 
}; struct sigpending { struct sigqueue *head, **tail; sigset_t signal; 
}; 

当进程接收到一个信号时,就需要把接收到的信号添加 pending 这个队列中。

以上的这些数据结构组织起来便如下图所示:

1.信号集操作函数

#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1,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
  • 在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调用sigemptysetsigfillset 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sigaddsetsigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
  • 这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。
  • sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

2.其它操作函数

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(block)。

#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 

如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。

SIG_BLOCK:将set指向信号集中的信号,添加到进程阻塞信号集;
SIG_UNBLOCK:将set指向信号集中的信号,从进程阻塞信号集删除;
SIG_SETMASK:将set指向信号集中的信号,设置成进程阻塞信号集;

调用函数sigpending可以读取当前进程的未决信号集,

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

现在我们用上述函数来测试一下信号递达的过程:首先是对SIGINT信号进行阻塞,然后通过ctrl+c 发送SIGINT 信号,发现SIGINT信号在pending位图中别标记为1,但是信号未决,直到解除对SIGINT信号的屏蔽,SIGINT信号递达,后续再发送SIGINT信号,会被直接递达,因为ISGINT并没有被阻塞。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <vector>using namespace std;#define MAX_SIGNUM 31
vector<int> sigarr = {2};void handler(int signo)
{cout<<signo<<"已经被递达!"<<endl;
}void show_pending(const sigset_t &s)
{for (int signo = MAX_SIGNUM; signo >= 1; signo--){if (sigismember(&s, signo))cout<<"1";elsecout<<"0";}cout<<endl;
}int main()
{for(const auto &sig : sigarr) signal(sig,handler);sigset_t block, oblock, pending;// sigset_t类型的数据使用前要初始化sigemptyset(&block);sigemptyset(&oblock);sigemptyset(&pending);// 添加屏蔽的信号for (const int &sig : sigarr)sigaddset(&block, sig);// 开始屏蔽,设置进内核sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);// 打印block信号集cout<<"最初的block集:\n";show_pending(block);cout<<"--------------------------"<<endl;int cnt = 5;while (true){//读取并打印pending信号集sigpending(&pending);show_pending(pending);sleep(1);if(cnt-- == 0){sigprocmask(SIG_SETMASK,&oblock,&block);cout<<"恢复对信号的屏蔽,block位图如下:"<<endl;show_pending(oblock);cout<<"--------------------------"<<endl;}}return 0;
}

代码运行结果如下:

3.信号捕捉

对于上述代码,信号捕捉是一个很重要的中间过程,接下来我们看看信号是如何被捕捉然后递达的。

我们借用kill()系统调用发送一个信号给指定的进程为例:

int kill(pid_t pid, int sig); 

参数 pid 指定要接收信号进程的ID,而参数 sig 是要发送的信号。kill() 系统调用最终会进入内核态,并且调用内核函数 sys_kill(),代码如下:

sys_kill(int pid, int sig) 
{ struct siginfo info; info.si_signo = sig; info.si_errno = 0; info.si_code = SI_USER; info.si_pid = current->pid; info.si_uid = current->uid; return kill_something_info(sig, &info, pid); 
} 

这里需要注意,此时OS会从用户态进入内核态,然后调用内核函数!

对于后续的一些细节,我们做部分省略,只保留主干过程:

上面介绍了怎么发送信号给指定的进程,但是什么时候会触发信号相应的处理函数呢?为了尽快让信号得到处理,Linux把信号处理过程放置在进程从内核态返回到用户态前,也就是ret_from_sys_call 处,其中细节忽略不计,由于信号处理程序是由用户提供,所以信号处理程序的代码是在用户态的。而从系统调用返回到用户态前还是属于内核态,CPU是禁止内核态执行用户态代码的,那么怎么办?

答案先返回到用户态执行信号处理程序,执行完信号处理程序后再返回到内核态,再在内核态完成收尾工作。听起来有点绕,事实也的确是这样。

我们可以用更形象的图来理解这个过程:

我们再将这个图抽象一下:

上述便是信号从产生到捕捉再到被递达的所有过程!我们下面可以用如何避免僵尸进程的例子来加深对信号的理解。

1.在fork后调用wait/waitpid函数取得子进程退出状态。
2.调用fork两次(第一次调用产生一个子进程,第二次调用fork是在第一个子进程中调用,同时将父进程退出(第一个子进程退出),此时的第二个子进程的父进程id为init进程id(注意:新版本Ubuntu并不是init的进程id))。
3.在程序中显示忽略SIGCHLD信号(子进程退出时会产生一个SIGCHLD信号,我们显示忽略此信号即可)。
4.捕获SIGCHLD信号并在捕获程序中调用wait/waitpid函数。

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