Linux系统-进程信号（下）

三、阻塞信号

1、信号其他相关常见概念

1. 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
2. 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)
   
3. 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号
   
4. 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：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

2、在内核中的表示

• 信号在内核中的表示示意图：

• 解释：

1. 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
   

注：在block位图中，比特位的位置代表某一个信号，比特位的内容代表该信号是否被阻塞；在pending位图中，比特位的位置代表某一个信号，比特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

2、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

3、在上图，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，即使产生SIGQUIT信号也将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler

• 系统发送信号的本质：修改进程PCB中的pending位图
  
• 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，信号数据存在丢失，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，信号数据不会丢失

3、sigset_t信号集

1. 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
2. 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
3. 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

4、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

• 操作函数原型：

#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)

• 解释：

1. 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
   
2. 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：

1. 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
   
2. 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这四个函数都是成功返回0,出错返回-1
3. 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
   

• sigprocmask：

调用函数sigprocmask可以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 *oset);
//返回值:若成功则为0,若出错则为-1

• 解释：

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
   
2. 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
   
3. 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
   

• how参数的可选值：

注：如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达

• sigpending:

int sigpending(sigset_t *set);
//读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出
//调用成功则返回0,出错则返回-1

• 使用示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
void PrintPending(sigset_t* p)
{
    int i=0;
    for(;i<32;i++)
    {
        if(sigismember(p,i))
            printf("1");
        else 
            printf("0");
    }
    printf("\n");
}
void handler(int signo)
{
    printf("get a signal:%d\n",signo);
}
int main()
{
    //捕获2号信号
    signal(2,handler);
    sigset_t set,oset;
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    sigaddset(&set,2);//添加
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oset);//设置block位图，阻塞2号信号
    sigset_t pending;
    sigemptyset(&pending);
    int cnt=0;
    while(1)
    {
        sigpending(&pending);
        PrintPending(&pending);
        sleep(1);
        cnt++;
        if(cnt==5)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK,&oset,&set);//还原为之前的block位图，不再阻塞2号信号
        }
    }
    return 0;
}

• 效果：

注：程序运行时，每秒钟把各信号的未决状态打印一遍，由于我们阻塞了SIGINT信号，按Ctrl-C将会使SIGINT信号处于未决状态，按Ctrl-\仍然可以终止程序，因为SIGQUIT信号没有阻塞

四、捕捉信号

1、内核中的信号捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号

• 信号捕获处理过程: 用户程序设置了SIGQUIT信号的处理函数为sighandler
  
• 示图：
  

• 解释：

1. 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常或者系统调用切换到内核态
2. 在中断或者系统调用处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达
3. 内核决定返回用户态后执行sighandler函数，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
4. sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态
5. 如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了

注：用户和内核态的转换是具有状态标识变量存在的，对于这样的状态转换是为了更好的管理和确保不同状态的各项的权限

2、信号捕捉sigaction函数

• sigaction函数原型 :

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

• sigaction结构体的定义：

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

• 解释：

1. 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是指定捕捉信号的编号
2. 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
3. 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，这是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用

• 注意：

1. 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
   
2. 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
   
3. 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
   

• 示例：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
struct sigaction act,oact;
void handler(int signo)
{
    printf("get a signal :%d\n",signo);
    //恢复block位图
    sigaction(2,&oact,&act);
}
int main()
{
    //初始化
    memset(&act,0,sizeof(struct sigaction));
    memset(&oact,0,sizeof(struct sigaction));
    //设置block位图
    act.sa_handler=handler;
    sigaddset(&act.sa_mask,4);
    sigaction(2,&act,&oact);
    while(1)
    {
        printf("I an running...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

• 结果：

3、可重入函数

• 示图：

• 解释：

main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,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,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于是切换到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2,插入操作的两步都做完之后从sighandler返回内核态,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,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二步。结果是,main函数和sighandler先后 向链表中插入两个节点,而最后只有一个节点真正插入链表中了

• 可重入函数定义：

像上例这样，insert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

insert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

如果一个函数只访问自己的局部变量或参数，则称为可重入函数（可以被多个执行流访问，并不会造成数据错乱）

• 如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

1. 调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的
   
2. 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
   

4、volatile关键字

• volatile 作用：

保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作

• 示例：站在信号的角度重新理解volatile

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int flag = 0;
void handler(int sig)
{
    printf("chage flag 0 to 1\n");
    flag = 1;
}
    int main()
{
    signal(2, handler);
    while(!flag);
    printf("process quit normal\n");
    return 0;
}

• 结果：

• 注意：

1. 标准情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ， while 条件不满足，退出循环，进程退出
   
2. 优化情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ，但是 while 条件依旧满足，而此时 while 循环检查的flag并不是内存中最新的flag（数据二异性的问题），while检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中（储存的是修改之前的值）

5、SIGCHLD信号

• 概念：

1. 父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(轮询的方式)：采用第一种方式,父进程阻塞了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，程序实现复杂
   
2. 其实子进程在终止时会给父进程发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信号的处理函数，这样父进程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清理子进程即可

• 示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig)
{
    pid_t id;
    while( (id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0){
    printf("wait child success: %d\n", id);
    }
    printf("child is quit! %d\n", getpid());
}
int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t cid;
    if((cid = fork()) == 0){//child
        printf("child : %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
    }
    while(1){
    printf("father proc is doing some thing!\n");
    sleep(1);}
    return 0;
}

• 效果：

• 由于UNIX 的历史原因，要想不产生僵尸进程还有另外一种办法：

父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN，这样fork出来的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

注：系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略 通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证在其它UNIX系统上都可用

• 示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
  if (fork() == 0){
    //child
    printf("child is running, child dead: %d\n", getpid());
    sleep(3);
    exit(1);
  }
  //father
  while (1);
  return 0;
}

• 效果：