第六章学习总结

第6章 信号和信号处理

一、知识点总结

6.1 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。

人员中断

根据来源对中断进行分类：

• 来自硬件的中断：大楼着火，闹钟响了
• 来自其他人的中断：电话响了，有人敲门
• 自身造成的中断：切到手指

根据紧急程度对中断进行分类：

• 不可屏蔽：大楼着火
• 可屏蔽：有人敲门（可不回复）

进程中断

• 来自硬件的中断：终端、间隔定时器的“ctrl+c”组合键。
• 来自其他进程的中断：kill、death_of_child
• 自身造成的中断：除以0、无效地址等。

硬件中断

• 来自硬件的中断：定时器、I/O设备等。
• 来自其他人的中断：FFP\DMA\多处理器系统中的其他CPU。
• 自身造成的中断：除以0、保护错误、INT指令

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。

6.2 Unix/Linux信号示例

1. 按“ctrl+c”组合：“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SINGINT（2）信号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输入的进程。
2. 用户可使用nohup a.out 命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程仍将继续运行。nobup命令会使sh像往常一样复刻子进程来执行程序，但是子进程会忽略SIGHuP(1)信号。当用户退出时，sh会向与终端有关的所有进程发送一个SIGHUP信号。后台进程在接收到这一信号后，会忽略它并继续运行。
3. 用户可以使用sh命令kill pid(or kill -s 9 pia)杀死进程，执行杀死的进程向pid标识的目标进程发送一个SIGTERM(15)信号，请求它死亡。目标进程将会遵从请求并终止。如果进程选择忽略SIGTERM信号，它可能拒绝死亡。

6.3 Unix/Linux中的信号处理

6.3.1 信号类型

Unix/Linux支持31种不同的信号，每种信号在 signal.h文件中都有定义。

#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
#define SIGTTIN  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

每个信号都有一个符号名，如SIGHUP(1)、SIGEMT(2)、SIGKILL(9)、SIGSEGV(11)等

6.3.2 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陷阱

来自异常的信号：

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，等等。

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。

6.3.3 进程PROC结构体的信号

每个进程PROC都有一个32位的向量，用来记录发送给进程的信号。在位相量中，每一位（0位除外）代表一个信号编号。

6.3.4 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。图6.1给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。

如果信号位向量中的位I为1，则会生成一个信号I或将其发送给进程。如果屏蔽位向量的位1为1，则信号会被阻塞或屏蔽。否则，信号未被阻塞。只有当信号存在并且未被阻塞时，信号才会生效或传递给进程。当内核模式下的进程发现一个未阻塞信号时，会将信号位清除为0，并尝试通过信号处理数组中的处理函数来处理该信号。0表示 DEFault，1表示IGNore，其他数值表示用户空间内预先安装的捕捉函数。

6.3.5 安装信号捕捉函数

进程可使用系统调用：
int r = signal(int signal_number,voide *handler);
来修改选定信号编号的处理函数，SIGKILL（9）和SIGSTOP（9）除外，他们不能修改。

signal()系统调用在所有类Unix系统中均可用，但它有一些不理想的特点：

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一个信号，因此不会出现竞态条件。
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。

6.4 信号处理步骤

• 先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。
• 重置用户安装的信号捕捉函数。
• 信号和唤醒。

6.5 信号与异常

• 当进程遇到异常时，会陷入内核模式，将陷阱原因转化为信号编码，并将信号发送给自己。
• 让进程通过预先安装的信号捕捉函数处理用户模式下的程序错误。这类似于MVS[IBM MVS]中的ESPIE宏。
• 在特殊情况下，他会让进程通过信号杀死另一个进程。

6.6 信号作用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。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。

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。

实践代码与截图

示例 6.2 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>
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);
}