《Unix/Linux系统编程》第六章

《Unix/Linux系统编程》第六章

第六章 信号与信号处理

本章讲述了信号和信号处理；介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看待信号；将信号视为进程中断， 将进程从正常执行转移到信号处理；解释了信号的来源，包括来自硬件、异常和其他进程的信号；然后举例说明了信号在Unix/Linux 中的常见用法；详细解释了 Unix/Linux 中的信号处理，包括信号类型、信号向景位、信号掩码位、进程 PROC 结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤。

信号和中断

＂中断” 是从 I/O 设备或协处理器发送到 CPU 的外部请求，它将 CPU 从正常执行转移到中断处理。与发送给 CPU 的中断请求一样，“信号” 是发送给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。

• 进程中断

  一类发送给进程的中断，在Unix/Linux系统内中断被称为信号，每一个信号都有唯一的ID号，编号从1到31不等。PROC会根据不同的信号ID给出不同的操作。

• 硬件中断

  发给处理器或CPU断点信号，可以来自硬件、其他处理器或自身。

• 进程的陷阱错误

  由误判而产生的给自身的中断。这类异常中断在用户模式下发生时，进程在默认情况下会终止，并用一个可选的内存转储进行调试。在内核模式下发生陷阱的原因必是发生了硬件错误或是内核代码存在漏洞，此时Unix/Linux系统会打印一条PANIC错误信息，然后停止。

Unix/Linux 信号示例

按 "Ctrl+C" 组合键通常会导致当前运行的进程终止。 原因如下。 "Ctrl+C" 组合键会生成一个键盘硬件中断。 键盘中断处理程序将 "Ctrl+C'' 组合键转换为 SIGINT (2)信 号， 发送给终端上的所有进程， 并唤醒等待键盘输人的进程。 在内核模式F. 每个进程都要检查和处理未完成的信号3 进程对大多数信号的默认操作是凋用内核的 kexit(exitValue) 函数来终止亡 在 Linux 中， exitValue 的低位字节是导致进程终止的信号编号。

Unix/Linux 中的信号处理

Unix/Linux 支待31种不同的信号， 每种信号在 signal.h 文件中都有定义。 #define SIGHUP #define SIGINT #define SIGQUIT #define SIGILL #define SIGTRAP #define SIGABRT #define SIGIOT #define SIGBUS #define SIGFPE #define SIGKILL #define SIGUSRl #define SIGSEGV #define SIGUSR2 #define SIGPIPE #define SIGALRM #define SIGTERM #define SIGSTKFLT #define SIGCHLD #define SIGCONT #define SIGSTOP #define SIGTSTP #define SIGTTIN #define SIGTTOU #define SIGURG #define SIGXCPU #define SIGXFSZ #define SIGVTALRM #define SIGPROF #define SIGWINCH #define SIGPOLL #define SIGPWR #define SIGSYS

信号的来源

1、来自硬件中断的信号：在进程执行过程中， 一些硬件中断被转换为信号发送给进程。

2、来自异常的信号： 当用户模式下的进程遇到异常时， 会陷入内核模式， 生成一个信号， 并发送给自己。 常见的陷阱信号有SIGFPE (8), 表示浮点异常（除以 0), 最常 见也是最可怕的是SIGSEGV (11), 表示段错误， 等等。

3、 来自其他进程的信号：进程可使用kill(pid, sig)系统调用向pid标识的目标进程发送信号。

进程PROC 结构体中的信号

每个进程PROC 都有一个32位向量，用来记录发送给进程的信号。在位向量中，每一位 (0 位除外）代表一个信号编号。此外它还有一个信号MASK位向盘，用来屏蔽相应的信号。

信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组intsig[32]o sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示DEFault(默认），1表示IGNore(忽略），其他非零值表示用户模式下预先安装的信号捕捉（处理）函数。

安装信号捕捉函数

1、在执行已安装的信号捕捉函数之前，通常将信号处理函数重置为DEFault。为捕捉下次出现的相同信号，必须重新安装捕捉函数。这可能会导致下一个信号和信号处理函数重新安装之间出现竞态条件。相反，sigaction()在执行当前捕捉函数时会自动阻塞下－个信号，因此不会出现竞态条件。

int r = signal(int signal_number, void *handler);信号捕捉的系统调用，可以用来修改选定的信号编号的处理函数(SIGKILL（9)和SIGSTOP(19)除外)，已安装的信号处理函数将会进入捕捉函数入口:void catcher(int signal_number){···}

sigaction()系统调用是更好的信号捕捉函数,它的结果如下:

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

2、signal()不能阻塞其他信号。必要时，用户必须使用sigprocmask()显式地阻塞或解锁其他信号。相反，sigaction()可以指定要阻塞的其他信号。

3、signal()只能向捕捉函数发送一个信号编号。sigaction()可以传输关于信号的其他信息。

4、signal() 可能不适用于多线程程序中的线程。 sigaction() 适用于线程。

5、不同 Unix 版本的 signal() 可能会有所不同。 sigaction() 采用的是 POISX 标准， 可移植性更好。

信号处理步骤

1、当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号则将已安装的捕捉函数重置为DEFault。然后，它会在用户摸式下返回，以执行捕捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时．它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。因此，该进程会先迂回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。

2、 重置用户安装的信号捕捉函数：用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处埋方法并不都一样，在不同Unix 版本中会有所不同。

3、 信号和唤醒：在Unix/Linux内核中有两种SLEEP进程；深度休眠进程和浅度休眠进程。前－种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的 SLEEP状态，到达的信号（必须来自硬件中断或其他进程）不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。

信号与异常

Unix信号最初设计用于以下用途。

• 作为进程异常的统一处理方法：当进程遇到异常时，它会陷入内核模式，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在内核模式下发生异常，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了。如果在用户模式下发生异常，则进程通常会终止，并以内存转储进行调试。

• 让进程通过预先安装的信号捕捉函数处则用户模式下的程序错误。 这类似于MVS [IBMMVS]中的ESPIE宏。

• 在特殊情况下，它会让某个进程通过信号杀死另一个进程。注意，这里所说的杀死并不是直接杀死某个进程，而只是向目标进程发出 “死亡“ 请求。

IPC

在许多操作系统的书籍中，信号被归类为进程间的通信机制。基本原理是一个进程可以向另一个进程发送信号，使它执行预先安装的信号处理函数。

• 该机制并不可靠，因为可能会丢失信号。每个信号由位向量中的一个位表示，只能记 录一个信号的一次岀现.如果某个进程向另一个进程发送两个或多个相同的信号，它 们可能只在接收PROC中出现一次。实时信号被放入队列，并保证按接收顺序发送， 但操作系统内核可能不支持实时信号。
• 竞态条件：在处理信号之前，进程通常会将信号处理函数重置为DEFault。要想捕捉同一信号的再次出现，进程必须在该信号再次到来之前重新安装捕捉函数。否则，下 一个信号可能会导致该进程终止。在执行信号捕捉函数时，虽然可以通过阻塞同一信 号来防止竞态条件，但是无法防止丢失信号。
• 大多数信号都有预定义的含义。不加区别地任意使用信号不仅不能达到通信的目的，反而会造成混乱。例如，向循环进程发送SIGSEGV(11)段错误信号，出现错误的信息。
  因此，试图将信号用作进程间通信手段实际上是对信号预期用途的过度延伸.应避免出现这种情况。

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