UNIX环境高级编程——信号之kill、raise、killpg、alarm、pause、abort、sleep、usleep、nanosleep和setitimer函数

一、kill, raise, killpg 函数

int kill(pid_t pid, int sig);
int raise(int sig);
int killpg(int pgrp, int sig);

kill命令是调用kill函数实现的，kill函数可以给一个指定的进程或进程组发送指定的信号，其中kill 函数的pid 参数取值不同表示不同含义，具体可man 一下。raise函数可以给当前进程发送指定的信号（自己给自己发信号）。killpg 函数可以给进程组发生信号。这三个函数都是成功返回0，错误返回-1。

kill()可以用来送参数sig指定的信号给参数pid指定的进程。参数pid有几种情况：

pid>0 将信号传给进程识别码为pid 的进程。

pid=0 将信号传给和当前进程相同进程组的所有进程

pid=-1 将信号广播传送给系统内所有的进程

pid<0 将信号传给进程组识别码为pid绝对值的所有进程

下面是个小程序示例：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int sig);

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (signal(SIGUSR1, handler) == SIG_ERR)
        ERR_EXIT("signal error");
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork error");

    if (pid == 0)
    {
        /*
            pid = getpgrp(); // 得到进程组pid
            kill(-pid, SIGUSR1); //向进程组发送信号
        */
        killpg(getpgrp(), SIGUSR1);
        exit(EXIT_SUCCESS); // 子进程处理完信号才退出
    }

    int n = 5;
    do
    {
        n = sleep(n); // sleep会被信号打断，返回unsleep的时间
    }
    while (n > 0);

    return 0;
}

void handler(int sig)
{
    printf("recv a sig=%d\n", sig);
}

/* raise(sig) 等价于 kill(getpid(), sig) 给自己发送信号 */

     程序中注册信号在fork之前，故子进程也会继承，在子进程中对进程组发送了信号，故信号处理函数会被调用两次：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
recv a sig=10
recv a sig=10

     因为sleep 函数会被信号处理函数打断（RETURN VALUE： Zero if the requested time has elapsed, or the number of seconds left to sleep, if the call was interrupted  by  a signal handler.），如果我们想让其睡够5s, 则可以用一个while循环判断其返回值。这里需要注意的是输出两次recv之后继续睡眠的时间是不一定的，也有可能是5s，即信号处理函数在调用sleep之前已经被调用（子进程先被系统调度执行），sleep未被中断。也表明一点：只要接收到信号，信号处理函数可以在任意某个时刻被调用，不仅仅只在进程主动调用sleep, pause等函数（让cpu去调度运行其他程序）的时候，cpu一直都在进行进程的调度，进行用户空间和内核空间的切换， 当某个时刻要从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前，首先就会处理PCB中记录的信号。

二、alarm、pause、abort 函数

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

调用alarm函数可以设定一个闹钟，也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号，该信号的默认处理动作是终止当前进程。这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方，某人要小睡一觉，设定闹钟为30分钟之后响，20分钟后被人吵醒了，还想多睡一会儿，于是重新设定闹钟为15分钟之后响，“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0，表示取消以前设定的闹钟，函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。

示例程序：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int sig);

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (signal(SIGALRM, handler) == SIG_ERR)
        ERR_EXIT("signal error");

    alarm(1); //过了n秒会产生SIGALRM信号
    for (; ;)
        pause();

    return 0;
}

void handler(int sig)
{
    printf("recv a sig=%d\n", sig);
    alarm(1); // 间接递归调用handler
}

输出测试：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
recv a sig=14
recv a sig=14
recv a sig=14
recv a sig=14
recv a sig=14
....................

     即每隔1s就会发送一个SIGALRM信号，其实alarm函数时间到时只发送一次信号，我们在信号处理函数中再次调用alarm函数，造成不断的信号发送。

     pause函数使调用进程挂起直至捕捉到一个信号：

#include <unistd.h>
int pause(void);

     只有执行了一个信号处理程序并从其返回时，pause才返回。

#include <stdlib.h>
void abort(void);

abort函数使当前进程接收到SIGABRT信号而异常终止。就像exit函数一样，abort函数总是会成功的，所以没有返回值。

三、setitimer 和不同精度的睡眠

1、首先来看三种不同的时间结构，如下：

time_t; /* seconds */
struct timeval {
long    tv_sec;         /* seconds */
long    tv_usec;        /* microseconds */
};
struct timespec {
time_t tv_sec;        /* seconds */
long   tv_nsec;       /* nanoseconds */
};

microseconds就是微秒， nanoseconds就是纳秒。

2、三种不同精度的睡眠

unsigned int sleep(unsigned int seconds);
int usleep(useconds_t usec);
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);

sleep：单位为秒，1秒

usleep：单位为微秒，1/1000 秒

nanosleep：单位为毫微秒，也就是纳秒，1/1000 000 000 秒

如下几个Linux下的微秒级别的定时器：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
#include<sys/time.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/select.h>


int main(int argc, char **argv)
{
	unsigned int nTimeTestSec = 0;
	unsigned int nTimeTest = 0;
	struct timeval tvBegin;
	struct timeval tvNow;
	int ret = 0;
	unsigned int nDelay = 0;
	struct timeval tv;
	int fd = 1;
	int i = 0;
	struct timespec req;

	unsigned int delay[20] = 
		{500000, 100000, 50000, 10000, 1000, 900, 500, 100, 10, 1, 0};
	int nReduce = 0; //误差

	fprintf(stderr, "%19s%12s%12s%12s\n", "fuction", "time(usec)", "realtime", "reduce");
	fprintf(stderr, "----------------------------------------------------\n");
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		if (delay[i] <= 0)
			break;
		nDelay = delay[i];
		//test sleep
		gettimeofday(&tvBegin, NULL);
		ret = usleep(nDelay);
		if(ret == -1)
		{
			fprintf(stderr, "usleep error, errno=%d [%s]\n", errno, strerror(errno));
		}
		gettimeofday(&tvNow, NULL);
		nTimeTest = (tvNow.tv_sec - tvBegin.tv_sec) * 1000000 + tvNow.tv_usec - tvBegin.tv_usec;
		nReduce = nTimeTest - nDelay;

		 fprintf (stderr, "\t usleep       %8u   %8u   %8d\n", nDelay, nTimeTest,nReduce);

		 //test nanosleep
		 req.tv_sec = nDelay/1000000;
		 req.tv_nsec = (nDelay%1000000) * 1000;

		 gettimeofday(&tvBegin, NULL);
		 ret = nanosleep(&req, NULL);
		 if (-1 == ret)
		 {
		 	fprintf (stderr, "\t nanousleep   %8u	not support\n", nDelay);
		 }
		 gettimeofday(&tvNow, NULL);
		 nTimeTest = (tvNow.tv_sec - tvBegin.tv_sec) * 1000000 + tvNow.tv_usec - tvBegin.tv_usec;
		 nReduce = nTimeTest - nDelay;
		 fprintf (stderr, "\t nanosleep    %8u   %8u   %8d\n", nDelay, nTimeTest,nReduce);

		 //test select
		 tv.tv_sec = 0;
		 tv.tv_usec = nDelay;

		 gettimeofday(&tvBegin, NULL);
		 ret = select(0, NULL, NULL, NULL, &tv);
		 if (-1 == ret)
		 {
		 	fprintf(stderr, "select error. errno = %d [%s]\n", errno, strerror(errno));
		 }

		 gettimeofday(&tvNow, NULL);
		 nTimeTest = (tvNow.tv_sec - tvBegin.tv_sec) * 1000000 + tvNow.tv_usec - tvBegin.tv_usec;
		 nReduce = nTimeTest - nDelay;
		 fprintf (stderr, "\t select       %8u   %8u   %8d\n", nDelay, nTimeTest,nReduce);

		 //pselcet
		 req.tv_sec = nDelay/1000000;
		 req.tv_nsec = (nDelay%1000000) * 1000;

		 gettimeofday(&tvBegin, NULL);
		 ret = pselect(0, NULL, NULL, NULL, &req, NULL);
		 if (-1 == ret)
		 {
		 	fprintf(stderr, "select error. errno = %d [%s]\n", errno, strerror(errno));
		 }

		 gettimeofday(&tvNow, NULL);
		 nTimeTest = (tvNow.tv_sec - tvBegin.tv_sec) * 1000000 + tvNow.tv_usec - tvBegin.tv_usec;
		 nReduce = nTimeTest - nDelay;
		 fprintf (stderr, "\t pselect      %8u   %8u   %8d\n", nDelay, nTimeTest,nReduce);

		 fprintf (stderr, "--------------------------------\n");

	}
	
	return 0;
}

     我们在对精度要求较高的情况下使用select()作为定时器，最大的好处就是不会影响信号处理，线程安全，而且精度能得到保证。在这个实验中，当时间延时时间较长时，select和pselect表现较差，当时间小于1毫秒时，他们的精确度便提高了，表现与usleep、nanosleep不相上下，有时精度甚至超过后者。

usleep()有有很大的问题：

（1）在一些平台下不是线程安全，如HP-UX以及Linux
（2）usleep()会影响信号
（3）在很多平台，如HP-UX以及某些Linux下，当参数的值必须小于1 * 1000 * 1000也就是1秒，否则该函数会报错，并且立即返回。大部分平台的帮助文档已经明确说了，该函数是已经被舍弃的函数。

     Linux下短延时推荐使用select函数，因为准确.

3、setitimer函数

包含头文件<sys/time.h> 
功能setitimer()比alarm功能强大，会间歇性产生时钟，支持3种类型的定时器。
原型：int setitimer(int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue));
参数：第一个参数which指定定时器类型；第二个参数是结构体itimerval的一个实例；第三个参数若不为空则返回先前定时unsleep的时间。
返回值:成功返回0，失败返回-1。

参数 which的取值：

ITIMER_REAL：经过指定的时间后，内核将发送SIGALRM信号给本进程 
ITIMER_VIRTUAL ：程序在用户空间执行指定的时间后，内核将发送SIGVTALRM信号给本进程 
ITIMER_PROF ：进程在用户空间执行和内核空间执行时，时间计数都会减少，通常与ITIMER_VIRTUAL共用，代表进程在用户空间与内核空间中运行指定时间后，内核将发送SIGPROF信号给本进程。

itimerval结构体：

struct itimerval {
      struct timeval it_interval; /* next value */
      struct timeval it_value;    /* current value */
};

     it_interval指定间隔时间，it_value指定初始定时时间。如果只指定it_value，就是实现一次定时；如果同时指定 it_interval，则超时后，系统会重新初始化it_value为it_interval，实现重复定时；两者都清零，则会清除定时器。

timeval 结构体：

struct timeval {
    long    tv_sec;         /* seconds */
    long    tv_usec;        /* microseconds*/
};

示例程序如下：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>
#include<sys/time.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int sig)
{
    printf("recv a sig=%d\n", sig);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (signal(SIGALRM, handler) == SIG_ERR)
        ERR_EXIT("signal error");

    struct timeval  tv_interval = {1, 0}; //以后每次延时1s
    struct timeval tv_value = {5, 0};//第一次延时5s
    struct itimerval it;
    /* Timers decrement from it_value to zero, generate a signal, and reset to it_interval */
    it.it_interval = tv_interval;
    /*  The element it_value is set to the amount of time remaining on the timer */
    it.it_value = tv_value;
    setitimer(ITIMER_REAL, &it, NULL); //间歇性地产生时钟
    /*
        for (; ;)
            pause();
    */
    int i;
    for (i = 0; i < 10000; i++) ;
    struct itimerval oit;
    // 上面循环后也许定时时间还没到，重新设置时钟，并将先前时钟剩余值通过oit传出
    setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oit);
    /*  getitimer(ITIMER_REAL, &oit); */
    printf("%d %d %d %d\n", (int)oit.it_interval.tv_sec, (int)oit.it_interval.tv_usec,
           (int)oit.it_value.tv_sec, (int)oit.it_value.tv_usec);

    return 0;
}

     如果我们把37，38行代码打开，后面的都注释掉，则会第一次经过5s 输出recv语句，以后每次经过1s 就输出recv语句。而如上程

序所示的话，输出为:

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out 
1 0 4 999924

   即先是设定了闹钟，for了一个循环后重新设定闹钟，此次通过第三个参数返回上次时钟unsleep的时间，即本来再过oit这么多时间就会产生信号，通过getitimer也可以获得，但getitimer不会重新设置时钟。