Linux系统编程 [进程通信——信号]

文章目录

• • • 信号的概述
    • • 信号的特点
    • 信号编号
    • 信号四要素
    • 信号的状态
    • 阻塞信号集和未决信号集
    • • 1 阻塞信号集(信号屏蔽字)
      • 2 未决信号集
    • 信号产生函数
    • • raise函数
      • abort函数
      • alarm函数(闹钟)
      • setitimer函数（定时器）
    • 信号集
    • • 信号集概述
      • 自定义信号集函数
      • sigprocmask函数
      • sigpending函数
    • 信号捕捉
    • • 信号处理方式
      • signal函数
      • sigaction函数
      • sigqueue 函数(了解)
    • 不可重入、可重入函数
    • SIGCHLD信号
    • • SIGCHLD信号产生的条件
      • 如何避免僵尸进程

信号的概述

信号的特点

• 简单
• 不能携带大量信息
• 满足某个特设条件才发送

注意：这里信号的产生，注册，注销时信号的内部机制，而不是信号的函数实现。

信号编号

信号四要素

每个信号必备4要素，分别是：

可通过man 7 signal查看帮助文档获取：

Action为默认动作：

• Term：终止进程
• Ign： 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)
• Core：终止进程，生成Core文件。(查验死亡原因，用于gdb调试)
• Stop：停止（暂停）进程
• Cont：继续运行进程

信号的状态

1) 产生
a) 当用户按某些终端键时，将产生信号。

b) 硬件异常将产生信号。

c) 软件异常将产生信号。

d) 调用系统函数(如：kill、raise、abort)将发送信号。

e) 运行 kill /killall命令将发送信号。

2) 未决状态：没有被处理

3) 递达状态：信号被处理了

阻塞信号集和未决信号集

信号的实现手段导致信号有很强的延时性，但对于用户来说，时间非常短，不易察觉。

1 阻塞信号集(信号屏蔽字)

2 未决信号集

信号产生函数

kill函数

include <sys/types.h>
#include <signal.h>
​
int kill(pid_t pid, int sig);
功能：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)
​
参数：
    pid : 取值有 4 种情况 :
        pid > 0:  将信号传送给进程 ID 为pid的进程。
        pid = 0 :  将信号传送给当前进程所在进程组中的所有进程。
        pid = -1 : 将信号传送给系统内所有的进程。
        pid < -1 : 将信号传给指定进程组的所有进程。这个进程组号等于 pid 的绝对值。
    sig : 信号的编号，这里可以填数字编号，也可以填信号的宏定义，可以通过命令 kill - l("l" 为字母)进行相应查看。不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
​
返回值：
    成功：0
    失败：-1

程序示例:

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0)
    {//子进程
        int i = 0;
        for (i = 0; i<5; i++)
        {
            printf("in son process\n");
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {//父进程
        printf("in father process\n");
        sleep(2);
        printf("kill sub process now \n");
        kill(pid, SIGINT);
    }
​
    return 0;
}

raise函数

#include <signal.h>
​
int raise(int sig);
功能：给当前进程发送指定信号(自己给自己发)，等价于 kill(getpid(), sig)
参数：
    sig：信号编号
返回值：
    成功：0
    失败：非0值

abort函数

#include <stdlib.h>
​
void abort(void);
功能：给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT，并产生core文件，等价于kill(getpid(), SIGABRT);
​
参数：无
​
返回值：无
​

alarm函数(闹钟)

#include <unistd.h>
​
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
功能：
    设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。每个进程都有且只有唯一的一个定时器。
    取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。
参数：
    seconds：指定的时间，以秒为单位
返回值：
    返回0或剩余的秒数
​

测试程序:

int main()
{
    int seconds = 0;
​
    seconds = alarm(5);
    printf("seconds = %d\n", seconds);
​
    sleep(2);
    seconds = alarm(5);
    printf("seconds = %d\n", seconds);
​
    while (1);
    return 0;
}

setitimer函数（定时器）

#include <sys/time.h>
​
int setitimer(int which,  const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
功能：
    设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us，可以实现周期定时。
参数：
    which：指定定时方式
        a) 自然定时：ITIMER_REAL → 14）SIGALRM计算自然时间
        b) 虚拟空间计时(用户空间)：ITIMER_VIRTUAL → 26）SIGVTALRM  只计算进程占用cpu的时间
        c) 运行时计时(用户 + 内核)：ITIMER_PROF → 27）SIGPROF计算占用cpu及执行系统调用的时间
    new_value：struct itimerval, 负责设定timeout时间
        struct itimerval {
            struct timerval it_interval; // 闹钟触发周期
            struct timerval it_value;    // 闹钟触发时间
        };
        struct timeval {
            long tv_sec;            // 秒
            long tv_usec;           // 微秒
        }
        itimerval.it_value： 设定第一次执行function所延迟的秒数 
        itimerval.it_interval：  设定以后每几秒执行function
​
    old_value： 存放旧的timeout值，一般指定为NULL
返回值：
    成功：0
    失败：-1

示例程序：

void myfunc(int sig)
{
    printf("hello\n");
}
​
int main()
{
    struct itimerval new_value;
​
    //定时周期
    new_value.it_interval.tv_sec = 1;
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;
​
    //第一次触发的时间
    new_value.it_value.tv_sec = 2;
    new_value.it_value.tv_usec = 0;
​
    signal(SIGALRM, myfunc); //信号处理
    setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); //定时器设置
​
    while (1);
​
    return 0;
}

信号集

信号集概述

自定义信号集函数

相关函数说明如下：

除sigismember外，其余操作函数中的set均为传出参数。sigset_t类型的本质是位图。但不应该直接使用位操作，而应该使用上述函数，保证跨系统操作有效。

示例程序:

int main()
{
    sigset_t set;   // 定义一个信号集变量
    int ret = 0;
​
    sigemptyset(&set); // 清空信号集的内容
​
    // 判断 SIGINT 是否在信号集 set 里
    // 在返回 1， 不在返回 0
    ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if (ret == 0)
    {
        printf("SIGINT is not a member of set \nret = %d\n", ret);
    }
​
    sigaddset(&set, SIGINT); // 把 SIGINT 添加到信号集 set
    sigaddset(&set, SIGQUIT);// 把 SIGQUIT 添加到信号集 set
​
    // 判断 SIGINT 是否在信号集 set 里
    // 在返回 1， 不在返回 0
    ret = sigismember(&set, SIGINT);
    if (ret == 1)
    {
        printf("SIGINT is a member of set \nret = %d\n", ret);
    }
​
    sigdelset(&set, SIGQUIT); // 把 SIGQUIT 从信号集 set 移除
​
    // 判断 SIGQUIT 是否在信号集 set 里
    // 在返回 1， 不在返回 0
    ret = sigismember(&set, SIGQUIT);
    if (ret == 0)
    {
        printf("SIGQUIT is not a member of set \nret = %d\n", ret);
    }
​
    return 0;
}

sigprocmask函数

#include <signal.h>
​
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
功能：
    检查或修改信号阻塞集，根据 how 指定的方法对进程的阻塞集合进行修改，新的信号阻塞集由 set 指定，而原先的信号阻塞集合由 oldset 保存。
​
参数：
    how : 信号阻塞集合的修改方法，有 3 种情况：
        SIG_BLOCK：向信号阻塞集合中添加 set 信号集，新的信号掩码是set和旧信号掩码的并集。相当于 mask = mask|set。
        SIG_UNBLOCK：从信号阻塞集合中删除 set 信号集，从当前信号掩码中去除 set 中的信号。相当于 mask = mask & ~ set。
        SIG_SETMASK：将信号阻塞集合设为 set 信号集，相当于原来信号阻塞集的内容清空，然后按照 set 中的信号重新设置信号阻塞集。相当于mask = set。
    set : 要操作的信号集地址。
        若 set 为 NULL，则不改变信号阻塞集合，函数只把当前信号阻塞集合保存到 oldset 中。
    oldset : 保存原先信号阻塞集地址
​
返回值：
    成功：0，
    失败：-1，失败时错误代码只可能是 EINVAL，表示参数 how 不合法。

sigpending函数

#include <signal.h>
​
int sigpending(sigset_t *set);
功能：读取当前进程的未决信号集
参数：
    set：未决信号集
返回值：
    成功：0
    失败：-1

示例程序:

int main()
{
    // 自定义信号集
    sigset_t myset, old;
    sigemptyset(&myset);// 清空　－》　０
​
    // 添加要阻塞的信号
    sigaddset(&myset, SIGINT);
    sigaddset(&myset, SIGQUIT);
    sigaddset(&myset, SIGKILL);
​
    // 自定义信号集设置到内核中的阻塞信号集
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &myset, &old);
​
    sigset_t pend;
    int i = 0;
    while (1)
    {
        // 读内核中的未决信号集的状态
        sigpending(&pend);
        for (int i = 1; i<32; ++i)
        {
            if (sigismember(&pend, i))
            {
                printf("1");
            }
            else if (sigismember(&pend, i) == 0)
            {
                printf("0");
            }
        }
        printf("\n");
        sleep(1);
        i++;
​
        // 10s之后解除阻塞
        if (i > 10)
        {
            // sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &myset, NULL);
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &old, NULL);
        }
    }
​
    return 0;
}

信号捕捉

信号处理方式

【注意】：SIGKILL 和 SIGSTOP 不能更改信号的处理方式，因为它们向用户提供了一种使进程终止的可靠方法。

内核实现信号捕捉过程：

signal函数

#include <signal.h>
​
typedef void(*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
功能：
    注册信号处理函数（不可用于 SIGKILL、SIGSTOP 信号），即确定收到信号后处理函数的入口地址。此函数不会阻塞。
​
参数：
    signum：信号的编号，这里可以填数字编号，也可以填信号的宏定义，可以通过命令 kill - l("l" 为字母)进行相应查看。
    handler : 取值有 3 种情况：
          SIG_IGN：忽略该信号
          SIG_DFL：执行系统默认动作
          信号处理函数名：自定义信号处理函数，如：func
          回调函数的定义如下：
            void func(int signo)
            {
                // signo 为触发的信号，为 signal() 第一个参数的值
            }
​
返回值：
    成功：第一次返回 NULL，下一次返回此信号上一次注册的信号处理函数的地址。如果需要使用此返回值，必须在前面先声明此函数指针的类型。
    失败：返回 SIG_ERR

示例程序:

// 信号处理函数
void signal_handler(int signo)
{
    if (signo == SIGINT)
    {
        printf("recv SIGINT\n");
    }
    else if (signo == SIGQUIT)
    {
        printf("recv SIGQUIT\n");
    }
}
​
int main()
{
    printf("wait for SIGINT OR SIGQUIT\n");
​
    /* SIGINT: Ctrl+c ; SIGQUIT: Ctrl+\ */
    // 信号注册函数
    signal(SIGINT, signal_handler);
    signal(SIGQUIT, signal_handler);
​
    while (1); //不让程序结束
​
    return 0;
}
​

sigaction函数

#include <signal.h>
​
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
功能：
    检查或修改指定信号的设置（或同时执行这两种操作）。
​
参数：
    signum：要操作的信号。
    act：   要设置的对信号的新处理方式（传入参数）。
    oldact：原来对信号的处理方式（传出参数）。
​
    如果 act 指针非空，则要改变指定信号的处理方式（设置），如果 oldact 指针非空，则系统将此前指定信号的处理方式存入 oldact。
​
返回值：
    成功：0
    失败：-1

struct sigaction结构体：

1) sa_handler、sa_sigaction：信号处理函数指针，和 signal() 里的函数指针用法一样，应根据情况给sa_sigaction、sa_handler 两者之一赋值，其取值如下：

a) SIG_IGN：忽略该信号

b) SIG_DFL：执行系统默认动作

c) 处理函数名：自定义信号处理函数

2) sa_mask：信号阻塞集，在信号处理函数执行过程中，临时屏蔽指定的信号。

3) sa_flags：用于指定信号处理的行为，通常设置为0，表使用默认属性。它可以是一下值的“按位或”组合：

Ø SA_RESTART：使被信号打断的系统调用自动重新发起（已经废弃）

Ø SA_NOCLDSTOP：使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到 SIGCHLD 信号。

Ø SA_NOCLDWAIT：使父进程在它的子进程退出时不会收到 SIGCHLD 信号，这时子进程如果退出也不会成为僵尸进程。

Ø SA_NODEFER：使对信号的屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信号。

Ø SA_RESETHAND：信号处理之后重新设置为默认的处理方式。

Ø SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 成员而不是 sa_handler 作为信号处理函数。

信号处理函数:

示例程序:

void myfunc(int sig)
{
    printf("hello signal: %d\n", sig);
    sleep(5);
    printf("wake up .....\n");
}
​
int main()
{
    // 注册信号捕捉函数
    struct sigaction act;
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = myfunc;
    // 设置临时屏蔽的信号
    sigemptyset(&act.sa_mask);  // 清空
    // ctrl + 反斜杠
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT);
​
    sigaction(SIGINT, &act, NULL); //注册信号
​
    while (1);
​
    return 0;
}

sigqueue 函数(了解)

#include <signal.h>
​
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
功能：
    给指定进程发送信号。
参数：
    pid : 进程号。
    sig : 信号的编号。
    value : 通过信号传递的参数。
        union sigval 类型如下：
            union sigval
            {
                int   sival_int;
                void *sival_ptr;
            };
返回值：
    成功：0
    失败：-1

发送信号示例代码如下：

/*******************************************************
*功能：     发 SIGINT 信号及信号携带的值给指定的进程
*参数：        argv[1]：进程号 argv[2]：待发送的值（默认为100）
*返回值：   0
********************************************************/
int main()
{
    if (argc >= 2)
    {
        pid_t pid, pid_self;
        union sigval tmp;
​
        pid = atoi(argv[1]); // 进程号
        if (argc >= 3)
        {
            tmp.sival_int = atoi(argv[2]);
        }
        else
        {
            tmp.sival_int = 100;
        }
​
        // 给进程 pid，发送 SIGINT 信号，并把 tmp 传递过去
        sigqueue(pid, SIGINT, tmp);
​
        pid_self = getpid(); // 进程号
        printf("pid = %d, pid_self = %d\n", pid, pid_self);
    }
​
    return 0;
}

接收信号示例代码如下：

// 信号处理回调函数
void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *ptr)
{
    printf("signum = %d\n", signum); // 信号编号
    printf("info->si_pid = %d\n", info->si_pid); // 对方的进程号
    printf("info->si_sigval = %d\n", info->si_value.sival_int); // 对方传递过来的信息
}
​
int main()
{
    struct sigaction act, oact;
​
    act.sa_sigaction = signal_handler; //指定信号处理回调函数
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 阻塞集为空
    act.sa_flags = SA_SIGINFO; // 指定调用 signal_handler
​
    // 注册信号 SIGINT
    sigaction(SIGINT, &act, &oact);
​
    while (1)
    {
        printf("pid is %d\n", getpid()); // 进程号
​
        pause(); // 捕获信号，此函数会阻塞
    }
​
    return 0;
}
​

两个终端分别编译代码，一个进程接收，一个进程发送，运行结果如下：

不可重入、可重入函数

满足下列条件的函数多数是不可重入（不安全）的：

• 函数体内使用了静态的数据结构；
• 函数体内调用了malloc() 或者 free() 函数(谨慎使用堆)；
• 函数体内调用了标准 I/O 函数。

保证函数的可重入性的方法：

• 在写函数时候尽量使用局部变量（例如寄存器、栈中的变量）；
• 对于要使用的全局变量要加以保护（如采取关中断、信号量等互斥方法），这样构成的函数就一定是一个可重入的函数。

Linux常见的可重入函数：

注意：信号处理函数应该为可重入函数。

SIGCHLD信号

SIGCHLD信号产生的条件

如何避免僵尸进程

示例程序:

void sig_child(int signo)
{
    pid_t  pid;
​
    //处理僵尸进程, -1 代表等待任意一个子进程, WNOHANG代表不阻塞
    while ((pid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0)
    {
        printf("child %d terminated.\n", pid);
    }
}
​
int main()
{
    pid_t pid;
​
    // 创建捕捉子进程退出信号
    // 只要子进程退出，触发SIGCHLD，自动调用sig_child()
    signal(SIGCHLD, sig_child);
​
    pid = fork();   // 创建进程
    if (pid < 0)
    { // 出错
        perror("fork error:");
        exit(1);
    }
    else if (pid == 0)
    { // 子进程
        printf("I am child process,pid id %d.I am exiting.\n", getpid());
        exit(0);
    }
    else if (pid > 0)
    { // 父进程
        sleep(2);   // 保证子进程先运行
        printf("I am father, i am exited\n\n");
        system("ps -ef | grep defunct"); // 查看有没有僵尸进程
    }
​
    return 0;
}

示例程序:

int main()
{
    pid_t pid;
​
    // 忽略子进程退出信号的信号
    // 那么子进程结束后，内核会回收， 并不再给父进程发送信号
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
​
    pid = fork();   // 创建进程
​
    if (pid < 0)
    { // 出错
        perror("fork error:");
        exit(1);
    }
    else if (pid == 0)
    { // 子进程
        printf("I am child process,pid id %d.I am exiting.\n", getpid());
        exit(0);
​
    }
    else if (pid > 0)
    { // 父进程
        sleep(2);   // 保证子进程先运行
        printf("I am father, i am exited\n\n");
        system("ps -ef | grep defunct"); // 查看有没有僵尸进程
    }
​
    return 0;
}