第六章：信号和信号处理
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
- 一个“进程” 就是一系列活动
- 广义的 “进程”包括：从事日常事务的人。在用户模式或内核模式下运行的Unix/Linux进程。执行机器指令的CPU
中断
- “中断”是发送给“进程”的事件，它将“进程”从正常活动转移到其他活动，称为“中断处理”。“进程”可在完成“中断”处理后恢复正常活动。
- 人员中断
- 根据来源，中断可分为三类
- 来自硬件的中断
- 来自其他人的中断
- 自己造成的中断
- 按照紧急成都，中断可分为一下几类
- 不可屏蔽（NMI）
- 可屏蔽
- 根据来源，中断可分为三类
- 进程中断
- 按来源分类同上（来自其他人变为来自娶她进程）
- 硬件中断
- 按来源分类同上（来自其他人变为来自其他处理器）
- 进程的陷阱错误
- 进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的
Unix/Linux信号实例
- 按“Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止
- 用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序
- 用户可以使用sh命令
kill pid (or kill -s 9 pid)杀死该进程
Unix/Linux中的信号处理
信号类型
#define SIGHUP 1
#define SIGINT 2
#define SIGQUIT 3
#define SIGILL 4
#define SIGTRAP 5
#define SIGABRT 6
#define SIGIOT 6
#define SIGBUS 7
#define SIGFPE 8
#define SIGKILL 9
#define SIGUSR1 10
#define SIGSEGV 11
#define SIGUSR2 12
#define SIGPIPE 13
#define SIGALRM 14
#define SIGTERM 15
#define SIGSTKFLT 16
#define SIGCHLD 17
#define SIGCONT 18
#define SIGSTOP 19
#define SIGTSTP 20
#dpfine STGTTTN 21
#define SIGTTOU 22
#define SIGURG 23
#define SIGXCPU 24
#define SIGXFSZ 25
#define SIGVTALRM 26
#define SIGPROF 27
#define SIGWINCH 28
#define SIGPOLL 29
#define SIGPWR 30
#define SIGSYS 31
信号的来源
- 来自硬件中断的信号：在执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程硬件信号示例。
- 中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。
- 间隔定时器，当他的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。
- 其他硬件错误，如总线错误、IO陷进。
- 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时SIGSEGV（11），表示段错误。
- 来自其他进程的信号：进程可以使用kill（pid，sig）系统调用向pid标识的目标进程发送信号。
信号处理函数
每个进程PROC 都有一个信号处理数组 int sig[32]。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。下图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。
安装信号捕捉函数
- 进程可使用系统调用
int r=signal(int signal_number,void *handler)
来修改选定信号编号的处理函数，SIGKILL(9)和SIGSTOP(19)除外 - signal系统调用有一些不理想的特点：
- 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
- signal()不能阻塞其他信号
- signal()只能向捕捉函数发送一个信号编号
- signal()肯能不使用与多线程程序中的线程
- 不同Unix版本的signal()可能会有所不同
- sigaction的结构体如下：
struct sigaction{
void (*sa_handler)(int);//指向处理函数
void (*sa_sigaction)(int ,siginfo_t * ,void *);//是运行信号处理函数的另一种 方法，其中signfo_t*能够接受更多的信号
sigset_t sa_mask;//可在处理函数执行期间设置要阻塞的信号
int sa_flags;//修改信号处理进程的行为,若要使用sa_sigaction处理函数，此时本参数的值应为SA_SIGINFO
void (*sa_restorer)(void);
}
- sigaction()的使用示例
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
//#include <siginfo.h>
void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d\n",sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sigaction act;
memset(&act, 0, sizeof(act));
act.sa_sigaction = &handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGTERM, &act, NULL);
printf("proc PID=%d looping\n"，getpid());
printf ("enter kill PID to send SIGTERM signal to it\n");
while(1)
{
sleep (10);
}
}
信号处理步骤
- 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
- 重置用户安装的信号捕捉函数
- 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。前一进程不可中断，后一进程可由信号中断
信号用PIC
- 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。由于以下原因，这种分类即使不算不恰当也颇具争议。
- 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出现。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。
段错误捕捉函数
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
#include <string.h>
//#include <siginfo.h>
jmp_buf env;
int count = 0;
void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
printf ("handler sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n", sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count);
if (count >= 4) // let it occur up to 4 times
longjmp(env, 1234);
}
int BAD()
{
int *ip = 0;
printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
*ip = 123; // dereference a NULL pointer
printf("should not see this line\n");
}
int main (int argc, char *argv[])
{
int r;
struct sigaction act;
memset (&act, 0, sizeof(act));
act.sa_sigaction = &handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGSEGV, &act, NULL);
if ((r = setjmp(env)) == 0)
BAD();
else
printf("proc %d survived SEGMENTATION FAULT: r=%d\n",getpid(), r);
printf ("proc %d looping\n" ,getpid());
while(1);
}
苏格拉底挑战
遇到的问题
信号处理的具体步骤是怎样的？
在Linux中，信号处理的具体步骤如下：
信号的产生：信号可以由硬件事件、软件条件或其他进程发送。
信号的传递：一旦信号产生，内核会将其传递给目标进程。如果目标进程注册了对该信号的处理函数，内核会调用该处理函数；否则，将采取默认的信号处理行为。
信号处理函数执行：如果进程注册了信号处理函数，内核会调用该函数来处理信号。处理函数可以执行特定的动作，比如清理资源、记录日志或者改变进程的行为。
恢复执行：一旦信号处理函数执行完毕，进程将会恢复到原来的上下文中继续执行。
这些步骤构成了Linux系统中信号处理的基本流程。
