三、阻塞信号

3.1 相关概念认识

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

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的一种处理动作

3.2 内核层理解

在block位图中，bit位的位置代表某一个信号，biit位的内容代表该信号是否被阻塞

在pending位图中，bit位的位置代表某一个信号，bit位的内容代表是否收到该信号

handler表本质上是一个函数指针数组，数组的下标代表某一个信号，数组的内容代表该信号递达时的处理动作，处理动作包括默认、忽略以及自定义

block、pending和handler这三张表的每一个位置是一一对应的

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞和未决，还有一个函数指针指向处理方法。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。SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作（未产生则不会递达）

SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然其处理动作是忽略，但在没有递达前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会在改变处理动作之后再解除阻塞

SIGQUIT信号未产生过，但一旦产生SIGQUIT信号，该信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler

若在进程解除对某信号的阻塞之前，这种信号产生过多次，POSIX.1允许系统递达该信号一次或多次。Linux是这样实现的：普通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（这里只讨论普通信号）

3.3 sigset_t

sigset_t被称为信号集，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。

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

阻塞信号集也被称为当前进程的信号屏蔽字，"屏蔽"应该理解为阻塞而不是忽略

3.4 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit位表示"有效"或"无效"，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统的实现，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 signum);
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

sigemptyset函数：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

sigfillset函数：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

sigaddset函数：在set所指向的信号集中添加某种有效信号

sigdelset函数：在set所指向的信号集中删除某种有效信号

sigemptyset、sigfillset、sigaddset和sigdelset函数都是成功返回0，出错返回-1

sigismember函数：判断在set所指向的信号集中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0，调用失败返回-1

注意：

在使用sigset_t类型的变量前，一定要调用sigemptyset()或sigfillset()初始化，使信号处于确定的状态

代码中定义的sigset_t类型的变量s存在栈区，使用上面的函数只会对变量s造成影响，并不会影响进程的任何行为。还需通过sigprocmask()函数，才能将变量s的数据设置进操作系统

3.5 sigprocmask && sigpending

3.5.1 sigprocmask

sigprocmask()函数可用于读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

若oset是非空指针，则读取进程当前的信号屏蔽字通过oset参数传出

若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

若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

how选项：

返回值：sigprocmask函数调用成功返回0，出错返回-1

3.5.2 sigpending

sigpending()函数用于读取进程的未决信号集

int sigpending(sigset_t *set);

sigpending()函数读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。该函数调用成功返回0，出错返回-1

3.6 实验测试

步骤：

先用上述的函数将2号信号进行屏蔽（阻塞）。

使用kill命令或组合按键向进程发送2号信号。

此时2号信号会一直被阻塞，并一直处于pending（未决）状态。

使用sigpending函数获取当前进程的pending信号集进行验证

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
void PrintPending(sigset_t *pending)
{
  for (int i = 1; i <= 31; i++) {
    if (sigismember(pending, i)) cout << "1 ";
    else cout << "0 ";
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
  sigset_t set, oset;
    sigset_t pending;
    //清空信号集
  sigemptyset(&set);
  sigemptyset(&oset);
    sigemptyset(&pending);
  sigaddset(&set, 2);//添加2号信号
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oset);//将数据设置进内核，阻塞2号信号
  while (1) {
    sigpending(&pending); //获取pending
    PrintPending(&pending); //打印pending位图
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

程序刚刚运行时，因为没有收到任何信号，所以此时该进程的pending表一直是全0。当使用kill命令向进程发送2号信号后，由于2号信号是阻塞的，所以2号信号一直处于未决状态，所以pending表中的第二个数字一直是1

为了看到2号信号递达后pending表的变化，可以设置一段时间后解除2号信号的阻塞状态，但解除2号信号的阻塞后2号信号就会立即被递达。2号信号的默认处理动作是终止进程，所以为了看到2号信号递达后的pending表，可以将2号信号进行捕捉，让2号信号递达时执行自定义动作

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
void handler(int signum) {
  cout << "handler signo: " << signum << endl;
}
void PrintPending(sigset_t *pending)
{
  for (int i = 1; i <= 31; i++) {
    if (sigismember(pending, i)) cout << "1 ";
    else cout << "0 ";
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
  signal(2, handler);
  sigset_t set, oset;
    sigset_t pending;
    //清空信号集
  sigemptyset(&set);
  sigemptyset(&oset);
    sigemptyset(&pending);
  sigaddset(&set, 2);//添加2号信号
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oset);//将数据设置进内核，阻塞2号信号
  int count = 0;
  while (1) {
    sigpending(&pending); //获取pending
    PrintPending(&pending); //打印pending位图
    sleep(1);
    ++count;
    if(count == 20) { //恢复曾经的信号屏蔽字
      sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);
      cout << "恢复信号屏蔽字" << endl;
    }
  }
  return 0;
}

进程收到2号信号后，该信号在一段时间内处于未决状态，当解除2号信号的屏蔽后，2号信号就会立即递达，执行我们所给的自定义动作，而此时的pending表也变回了全0

四、捕捉信号

4.1 内核空间与用户空间

每个进程都有自己的进程地址空间，该进程地址空间由内核空间和用户空间组成：

用户所写的代码和数据位于用户空间，通过用户级页表与物理内存之间建立映射关系

内核空间存储的实际上是操作系统代码和数据，通过内核级页表与物理内存之间建立映射关系

内核级页表是一个全局的页表，它用来维护操作系统的代码与进程之间的关系。在每个进程的进程地址空间中，用户空间是属于当前进程的，每个进程看到的代码和数据是完全不同的，但内核空间所存放的都是操作系统的代码和数据，所有进程看到的都是一样的内容

虽然每个进程都能够看到操作系统，但并不意味着每个进程都能够随时对其进行访问.当访问用户空间时必须处于用户态，当访问内核空间时必须处于内核态

4.2 内核态与用户态

内核态通常用来执行操作系统的代码，是一种权限非常高的状态

用户态是一种用来执行普通用户代码的状态，是一种受监管的普通状态

进程收到信号之后，并不是立即处理信号，而是在合适的时候进行处理。"合适的时候"就是指，从内核态切换回用户态的时候

从用户态切换为内核态：

需要进行系统调用时
当前进程的时间片到了，导致进程切换
产生异常、中断、陷阱等

从内核态切换为用户态：

系统调用返回时
进程切换完毕
异常、中断、陷阱等处理完毕

由用户态切换为内核态被称之为陷入内核。每当需要陷入内核时，本质上是因为需要执行操作系统的代码。比如系统调用函数是由操作系统实现的，要进行系统调用就必须先由用户态切换为内核态

4.3 内核实现信号捕捉

当我们在执行主控制流程的时候，可能因为某些情况而陷入内核，当内核处理完毕准备返回用户态时，就需要进行信号pending的检查。（此时仍处于内核态，有权力查看当前进程的pending位图）

在查看pending位图时，若发现未决信号，且该信号没有被阻塞，那么此时就需要该信号进行处理。若待处理信号的处理动作是默认或者忽略，则执行该信号的处理动作后清除对应的pending标志位，若没有新的信号要递达，就直接返回用户态，从主控制流程中上次被中断的地方继续向下执行即可

但若待处理信号是自定义捕捉的（用户提供处理方法），那么处理该信号时就需要先返回用户态执行对应的自定义处理动作，执行完后再通过特殊的系统调用sigreturn再次陷入内核并清除对应的pending标志位。若没有新的信号要递达，就直接返回用户态，继续执行主控制流程的代码

注意：sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。sighandler是内核线程调用的(内核线程服务于多个进程)

简化上图:

该图形与直线有几个交点就代表在这期间有几次状态切换，而箭头的方向就代表着此次状态切换的方向，图形中间的圆点就代表着检查pending表。

当识别到信号的处理动作是自定义时，能直接在内核态执行用户空间的代码吗？

看似可以，因为内核态是一种权限非常高的状态，但是绝对不能这样设计。

若允许在内核态直接执行用户空间的代码，那么恶意用户就可以在代码中设计一些非法操作，比如清空数据库等，虽然在用户态时没有足够的权限清空数据库，但是在内核态时是有足够权限清空数据库的。即不能让操作系统直接去执行用户的代码，因为操作系统无法保证用户的代码是合法代码，即操作系统不信任用户

4.4 sigcation

捕捉信号除了使用signal()函数外，还可以使用sigaction()函数

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

sigaction()函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作，该函数调用成功返回0，出错返回-1

signum代表指定信号的编号

若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作

若oldact指针非空，则通过oldact传出该信号原来的处理动作

struct sigaction {
  void(*sa_handler)(int);
  void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
  sigset_t   sa_mask;
  int        sa_flags;
  void(*sa_restorer)(void);
};

sa_handler

将sa_handler赋值为SIG_IGN传给sigaction函数，表示忽略信号

将sa_handler赋值为SIG_DFL传给sigaction函数，表示执行系统默认动作

将sa_handler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

注意：所注册的信号处理函数的返回值为void，参数为int。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。这是一个回调函数，但不是被main函数调用，而是被操作系统所调用

sa_sigaction

sa_sigaction是实时信号的处理函数

sa_mask

当某个信号的处理函数被调用，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，若这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。

若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，会自动恢复成原来的信号屏蔽字。

sa_flags

sa_flags字段包含一些选项，这里直接将sa_flags设置为0即可

sa_restorer

暂时不使用该参数

五、SIGCHLD信号

为了避免出现僵尸进程，父进程需要使用wait或waitpid函数等待子进程结束，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地轮询是否有子进程结束等待清理。采用第一种方式，父进程阻塞时就不能处理自己的工作了；采用第二种方式，父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下，且程序实现复杂。

其实，子进程在终止时操作系统会给父进程发生SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略，父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理动作，这样父进程就只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了，子进程终止时会通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait或waitpid函数清理子进程即可。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
void handler(int signo)
{
  cout << "get a signal:" << signo << endl;
  int ret = 0;
  while ((ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0) {
    cout << "wait child " << ret << " success" << endl;
  }
    exit(0);
}
int main()
{
  signal(SIGCHLD, handler);
  if (fork() == 0) {//child
    cout << "child is running, PID: " << getpid() << endl;
    exit(1);
  }
  //father
  while (1);
  return 0;
}

SIGCHLD属于普通信号，记录该信号的pending位只有一个，在同一时刻可能有多个子进程同时退出，那么使用waitpid()函数清理子进程时需要使用while不断进行清理

使用waitpid()函数时，需要设置WNOHANG选项，即非阻塞式等待。否则当所有子进程都已经清理完毕时，由于while循环，会再次调用waitpid函数，此时就会阻塞住

要想不产生僵尸进程还有另外一种办法：父进程调用signal或sigaction函数将SIGCHLD信号的处理动作设置为SIG_IGN，这样子进程在终止时会自动清理掉，不会产生僵尸进程，也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用signal或sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的，但这是一个特列。此方法对于Linux可用，但不保证在其他UNIX系统上都可用

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
int main()
{
  signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
  if (fork() == 0) { //child
    cout << "child is running, PID: " << getpid() << endl;
    sleep(3);
    exit(1);
  }
  //father
  while (1);
  return 0;
}

六、可重入函数

若主函数中调用insert()函数向链表中插入结点node1，且某信号处理函数中也调用了insert函数向链表中插入结点node2，貌似并没有什么问题

1、首先，main函数中调用了insert函数，想将结点node1插入链表，但插入操作分为两步，刚做完第一步的时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回到用户态之前检查到有信号待处理，于是切换到sighandler函数

2、而sighandler函数中也调用了insert函数，将结点node2插入到了链表中。当结点node2插入的两步操作都做完之后从sighandler返回内核态

3、再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行，即继续进行结点node1的插入操作

最终结果是，main函数和sighandler函数先后向链表中插入了两个结点，但最后只有node1结点真正插入到了链表中，而node2结点就找不到了，造成了内存泄漏

如上例，insert函数被不同的控制流调用（main函数和sighandler函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用与被调用的关系，是两个独立的控制流程），有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，这种现象被称之为重入

insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，这样的函数被称之为不可重入函数；反之，若一个函数只访问自己的局部变量或参数，则称之为可重入函数

一个函数符合以下条件之一就一定是不可重入的：

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，因为标准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

Linux进程信号（二）