信號(hào)產(chǎn)生

生活中的信號(hào)類(lèi)比(交通信號(hào)燈、警報(bào))，當(dāng)產(chǎn)生這些信號(hào)時(shí)，我們會(huì)立馬想到對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

在Linux中，信號(hào)是事件發(fā)生對(duì)進(jìn)程的通知機(jī)制亦稱(chēng)軟件中斷，由操作系統(tǒng)內(nèi)核、進(jìn)程本身或者其他進(jìn)程向目標(biāo)進(jìn)程異步事件發(fā)送機(jī)制(即收到某種信號(hào)，并不會(huì)立馬去執(zhí)行)。通知進(jìn)程發(fā)生某種預(yù)定義的時(shí)間，要求進(jìn)程作出相應(yīng)響應(yīng)。

信號(hào)與硬件中斷相似之處在于會(huì)打斷程序執(zhí)行流程。

常見(jiàn)信號(hào)

硬件異常：

• 如內(nèi)存越界（SIGSEGV）
• 除零錯(cuò)誤（SIGFPE）
• 由內(nèi)核自動(dòng)生成

系統(tǒng)調(diào)用：

• kill()：向指定進(jìn)程發(fā)送信號(hào)
• raise()：進(jìn)程向自身發(fā)送信號(hào)
• alarm()：設(shè)置定時(shí)器，超時(shí)后發(fā)送 SIGALRM

終端輸入：

• Ctrl+C:SIGINT（終止進(jìn)程）
• Ctrl+Z:SIGTSTP（暫停進(jìn)程）
• Ctrl+\:

軟件條件：

• 子進(jìn)程退出時(shí)，父進(jìn)程收到 SIGCHLD
• 定時(shí)器到期（如 alarm()）觸發(fā)信號(hào)

核心轉(zhuǎn)儲(chǔ) ：

信號(hào)的分類(lèi)

信號(hào)分為兩大類(lèi)。

(編號(hào)1-31)為傳統(tǒng)信號(hào)信號(hào)，內(nèi)核向進(jìn)程通知且遞送一次，(編號(hào)34-64)為實(shí)時(shí)信號(hào)使信號(hào)按序遞送。

信號(hào)處理方式

• 默認(rèn)動(dòng)作： 部分是終止自己，暫停等
• 忽略動(dòng)作： 是一種信號(hào)處理的方式，只不過(guò)動(dòng)作就是什么都不干
• 自定義動(dòng)作： 使用signal方法修改信號(hào)的處理動(dòng)作。(即用戶程序員編寫(xiě)的函數(shù)：將默認(rèn)動(dòng)作轉(zhuǎn)化為自定義動(dòng)作)

改變信號(hào)處理方式

signal，sigaction

信號(hào)阻塞

概念悉知

• 實(shí)際執(zhí)行信號(hào)的處理動(dòng)作稱(chēng)為信號(hào)遞達(dá)(Delivery)
• 信號(hào)從產(chǎn)生到遞達(dá)之間的狀態(tài),稱(chēng)為信號(hào)未決(Pending)。
• 進(jìn)程可以選擇阻塞 (Block )某個(gè)信號(hào)。
• 被阻塞的信號(hào)產(chǎn)生時(shí)將保持在未決狀態(tài),直到進(jìn)程解除對(duì)此信號(hào)的阻塞,才執(zhí)行遞達(dá)的動(dòng)作.
• 阻塞和忽略是不同的,只要信號(hào)被阻塞就不會(huì)遞達(dá),而忽略是在遞達(dá)之后可選的一種處理動(dòng)作。

信號(hào)產(chǎn)生后會(huì)稍后遞達(dá)給某進(jìn)程，信號(hào)在產(chǎn)生和到達(dá)期間會(huì)一直處于pending等待狀態(tài)。

信號(hào)在內(nèi)核中的表示

每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)信號(hào)屏蔽字亦稱(chēng)阻塞信號(hào)集，一個(gè) sigset_t 類(lèi)型的位圖，每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)（如 SIGINT、SIGQUIT 等）。用來(lái)標(biāo)記哪些信號(hào)當(dāng)前被阻塞。被阻塞的信號(hào)若已產(chǎn)生，會(huì)進(jìn)入未決狀態(tài)，直到阻塞被解除才會(huì)觸發(fā)處理。位為1生效，0不生效。

block與pending之間聯(lián)系

pending集是信號(hào)產(chǎn)生后的暫存區(qū)，block是控制信號(hào)是否能從pending暫存區(qū)遞交給進(jìn)程的開(kāi)關(guān)

• block：決定哪些信號(hào)會(huì)被阻塞，近而將其放入未決信號(hào)集
• pending：記錄已產(chǎn)生但未被處理的信號(hào)（因被阻塞或正在處理其他信號(hào)）
• 通過(guò)sigpending()査詢(xún)掛起的信號(hào)集，通過(guò)sigprocmask()控制阻塞狀態(tài)。

其中block位圖用于表示進(jìn)程是否阻塞。

• pending位圖用于是否有信號(hào)寫(xiě)入（信號(hào)是否產(chǎn)生，信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，內(nèi)核在進(jìn)程控制塊中設(shè)置該信號(hào)的pending位圖，直到信號(hào)抵達(dá)才消失）。
• handler函數(shù)指針數(shù)組用于進(jìn)程執(zhí)行何種動(dòng)作（其中存放的是動(dòng)作函數(shù)指針，每個(gè)信號(hào)的編號(hào)就是其數(shù)組下標(biāo)）。

關(guān)鍵系統(tǒng)調(diào)用

信號(hào)集操作函數(shù)

sigset_t 本質(zhì)上是一個(gè)位圖，每一位代表一個(gè)信號(hào)。當(dāng)某一位被設(shè)置為 1 時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的信號(hào)被包含在信號(hào)集中；為 0 則表示不包含。使用者只能調(diào)用以下函數(shù)來(lái)操作sigset_t變量,不用關(guān)注內(nèi)部數(shù)據(jù)。

在使用sigset_t類(lèi)型的變量之前,一定要調(diào)用sigemptyset()函數(shù)初始化一個(gè)未包含任何成員的信號(hào)集或者sigfillset()函數(shù)則初始化一個(gè)信號(hào)集，使其包含所有信號(hào)（包括所有實(shí)時(shí)信號(hào)）。

#include <signal.h>
// 清空信號(hào)集，置0
int sigemptyset(sigset_t *set);  
// 填充所有信號(hào), 置有效狀態(tài)1？  
int sigfillset(sigset_t *set);     

信號(hào)集初始化后，可以分別使用 sigaddset()和sigdelset()函數(shù)向一個(gè)集合中添加或者移除單個(gè)信號(hào)。使用sigismember()測(cè)試信號(hào)是否是信號(hào)集set的成員。

#include <signal.h>
// 添加單個(gè)信號(hào)
int sigaddset(sigset_t *set, int signo); 
 // 刪除單個(gè)信號(hào)
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
// 判斷信號(hào)是否存在
int sigismember(const sigset_t *set, int signo); 

信號(hào)掩碼（阻塞信號(hào)傳遞）

內(nèi)核會(huì)為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)一個(gè)信號(hào)掩碼(一組信號(hào))，阻塞其針對(duì)該進(jìn)程的傳遞。如果將被阻塞的信號(hào)發(fā)送給某進(jìn)程，那么對(duì)該信號(hào)的傳遞將延后，直至從進(jìn)程信號(hào)掩碼中移除該信號(hào)，從而解除阻塞為止。阻塞信號(hào)集內(nèi)0變1只能由其觸發(fā)。

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

參數(shù) ：

how：指定了sigprocmask()函數(shù)想給信號(hào)掩碼帶來(lái)的變化。

• SIG_BLOCK：set包含了我們希望添加到當(dāng)前信號(hào)屏蔽字的信號(hào)(邏輯或)
• SIG_UNBLOCK：set包含了我們希望從當(dāng)前信號(hào)屏蔽字中解除阻塞的信號(hào)(與非)
• SIG_SETMASK：設(shè)置當(dāng)前信號(hào)屏蔽字為set所指向的值(直接賦值)

set

• 要操作的信號(hào)集，(為NULL則忽略)

oldset

• 保存舊的信號(hào)掩碼(可為NULL)

返回值：成功返回 0，失敗返回 -1（設(shè)置 errno）

• 阻塞：信號(hào)暫存到未決信號(hào)集直到解除阻塞
• 忽略：直接丟棄

操作示例：

void handler(int no){
    cout << "execcute user-defined actions" << " ";
}

int main(){

    //更改2號(hào)信號(hào)執(zhí)行動(dòng)作
    signal(2, handler);

    //創(chuàng)建兩個(gè)信號(hào)集
    sigset_t set, old_set; 

    //清空信號(hào)集
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);//將2號(hào)信號(hào)添加進(jìn)set集01000...000
    
    //將set信號(hào)集中指定信號(hào)添加到當(dāng)前阻塞信號(hào)集中，同時(shí)將原來(lái)的信號(hào)集保存到old_set中
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &old_set);//阻塞set中包含的信號(hào)集

    cout << "SIG_INT is blocked, ctrl+c has failed" << endl;
    sleep(5);//5秒內(nèi)ctrl+c不會(huì)有反應(yīng)

    //使用old_set替換當(dāng)前所有阻塞信號(hào)集
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_set, NULL);//恢復(fù)之前阻塞信號(hào)集
    cout << "SIG_INT has been resloved" << endl;
    sleep(5);
    return 0;
}

阻塞期間發(fā)送2號(hào)信號(hào)？

信號(hào)不會(huì)立馬處理，而是將該信號(hào)加入pending信號(hào)集(即pending位圖的SIG_INT位從0-->1)

信號(hào)阻塞接觸后？

pending信號(hào)集內(nèi)該信號(hào)立即處理(處理方式鑒于默認(rèn)動(dòng)作，忽略(丟棄) 或 自定義動(dòng)作)，該位由1-->0。

sigpending獲取未決信號(hào)集

如果某進(jìn)程接受了一個(gè)該進(jìn)程正在阻塞的信號(hào)，那么會(huì)將該信號(hào)填加到進(jìn)程的等待信號(hào)集中。當(dāng)之后解除了對(duì)該信號(hào)的鎖定時(shí)，會(huì)隨之將信號(hào)傳遞給此進(jìn)程。

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

系統(tǒng)調(diào)用返回后，用戶空間的set變量包含了當(dāng)前的未決信號(hào)集，可以使用sigismember()檢查特定信號(hào)是否在未決信號(hào)集中。 

作用： 返回處于等待狀態(tài)的信號(hào)集，并將其置于 set指向的sigset_t 結(jié)構(gòu)中。

signal() - 設(shè)置信號(hào)處理

#include <signal.h>

void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

返回函數(shù)指針的函數(shù)：

代碼示例：

void handler(int signo){
    cout << "execcute user-defined actions" << " ";
}
...
    //更改2號(hào)信號(hào)執(zhí)行動(dòng)作
    signal(2, handler);

聲明該函數(shù)類(lèi)型是一個(gè)函數(shù)指針類(lèi)型，signal是函數(shù)名(如：int (*p)(int,int),p是函數(shù)名，有兩個(gè)int類(lèi)型參數(shù)，返回值是一個(gè)int類(lèi)型)。signal返回的是一個(gè)函數(shù)指針，該函數(shù)指向的函數(shù)參數(shù)是一個(gè)int類(lèi)型，返回值是void。所以外層是指明這是一個(gè)函數(shù)指針類(lèi)型。里面才是使用的函數(shù)本體。

• signal 是一個(gè)函數(shù)
• 它接受一個(gè)整數(shù)和一個(gè)函數(shù)指針作為參數(shù)
• 它返回一個(gè)與第二個(gè)參數(shù)類(lèi)型相同的函數(shù)指針

返回函數(shù)指針的數(shù)組： 對(duì)？

sigaction() - 設(shè)置信號(hào)處理

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

signum : 目標(biāo)信號(hào)

act 新的信號(hào)處理方式

• sa_handler：信號(hào)處理函數(shù)指針（或 SIG_IGN、SIG_DFL）。
• sa_mask：處理該信號(hào)時(shí)額外阻塞的信號(hào)集。
• sa_flags：控制選項(xiàng)（如 SA_RESTART、SA_NODEFER）
• NULL

oldact

• 保存舊的處理配置(可為NULL)

返回值：成功返回 0，失敗返回 -1（設(shè)置 errno）

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);          // 簡(jiǎn)單處理函數(shù)
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 高級(jí)處理函數(shù)
    sigset_t sa_mask;                     // 處理期間屏蔽的信號(hào)集
    int      sa_flags;                    // 控制標(biāo)志
    void     (*sa_restorer)(void);        // 內(nèi)部使用（已廢棄）
};

現(xiàn)在我們使用sigprocmask函數(shù)和sigpending函數(shù)完成一個(gè)函數(shù)。思路是

1. 對(duì)2號(hào)信號(hào)寫(xiě)入信號(hào)集
2. 將該信號(hào)集使用sigprocmask函數(shù)將2號(hào)信號(hào)block住
3. 我們鍵盤(pán)輸入ctrl+c，產(chǎn)生2號(hào)信號(hào)，發(fā)送至該進(jìn)程。
4. 使用sigpending函數(shù)輸出pending位圖,因?yàn)槲覀儗?code>2號(hào)進(jìn)程block住了，該信號(hào)并不能抵達(dá)。我們?cè)傧蚱浒l(fā)送2號(hào)信號(hào)，信號(hào)被block住了并不會(huì)影響信號(hào)的寫(xiě)入。因此我們?cè)侔l(fā)送2號(hào)進(jìn)程之前pending位圖應(yīng)該全為0，發(fā)送2號(hào)進(jìn)程之后會(huì)看見(jiàn)pending位圖發(fā)送由0至1的變化。

執(zhí)行流程：

1. 前 5 秒內(nèi)，SIGINT（Ctrl+C）被阻塞，信號(hào)進(jìn)入未決狀態(tài)但不觸發(fā)處理。
2. 5 秒后解除阻塞，若之前有未決的 SIGINT，會(huì)立即觸發(fā) handle 函數(shù)。

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
static void handler(int signo){
    cout << signo << " 號(hào)信號(hào)確實(shí)遞達(dá)了" << endl;
    //最終不退出進(jìn)程
}
 void DisplayPending(const sigset_t pending){
    // 打印 pending 表
    int i = 1;
    while (i < 32)
    {
        if (sigismember(&pending, i))  cout << "1";
        else cout << "0";
        i++;
    } cout << endl;
}
int main(){
    // 更改 2 號(hào)信號(hào)的執(zhí)行動(dòng)作
    signal(2, handler);
    // 創(chuàng)建信號(hào)集
    sigset_t set, oset;
    // 信號(hào)集清空  0
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    
    sigaddset(&set, 2);	//將2號(hào)信號(hào)寫(xiě)入set
    // 設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的屏蔽信號(hào)集
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);//0給進(jìn)程
    // 死循環(huán)
    int n = 0;
    while (true){
        if (n == 5){
            // 采用 SIG_SETMASK 的方式，覆蓋進(jìn)程的 block 表
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL); // 不接收進(jìn)程的 block 表
        }
        // 獲取進(jìn)程的 未決信號(hào)集
        sigset_t pending;
        sigemptyset(&pending);
        int ret = sigpending(&pending);
        assert(ret == 0);
        (void)ret; // 避免 release 模式中出錯(cuò)
        DisplayPending(pending);
        n++;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

信號(hào)處理

進(jìn)程地址空間

為了進(jìn)程可以通過(guò)訪問(wèn)虛擬地址來(lái)間接訪問(wèn)物理資源，我們需要建立虛擬地址空間與物理內(nèi)存的映射關(guān)系。用戶區(qū)和內(nèi)核區(qū)都需要通過(guò)內(nèi)核級(jí)頁(yè)表或者用戶級(jí)頁(yè)表進(jìn)行映射使用。

系統(tǒng)調(diào)用：

系統(tǒng)調(diào)用是受控的內(nèi)核入口，借助于這一機(jī)制，進(jìn)程可以請(qǐng)求內(nèi)核以自己的名義去執(zhí)行某些動(dòng)作。以應(yīng)用程序編程接口（API）的形式，內(nèi)核提供有一系列服務(wù)供程序訪問(wèn)。

信號(hào)處理過(guò)程

用戶態(tài)的時(shí)候執(zhí)行用戶代碼，在中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候切換到內(nèi)核態(tài)，査看進(jìn)程的三張表。(信號(hào)捕捉過(guò)程)當(dāng)需要執(zhí)行自定義動(dòng)作的時(shí)候，切回用戶態(tài)執(zhí)行自定義動(dòng)作，自定動(dòng)作完成之后，再切到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行sys_sigretur()函數(shù)，最后再切回用戶態(tài)中用戶代碼的下一行繼續(xù)執(zhí)行。

當(dāng)執(zhí)行默認(rèn)動(dòng)作或者忽略動(dòng)作的時(shí)候，直接可以在內(nèi)核中完成，完成之后切回用戶態(tài)中的用戶代碼的下一行，繼續(xù)執(zhí)行。

• sigaction()
• volatile關(guān)鍵字
• SIGCHLD

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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