信号知识总结

信号(signal)是一种软件中断，它提供了一种处理异步事件的方法，也是进程间惟一的异步通信方式。在Linux系统中，根据POSIX标准扩展以后的信号机制，不仅可以用来通知某种程序发生了什么事件，还可以给进程传递数据。

一、信号的概念

信号的共性：
简单，不能够携带大量的信息，满足某个特定条件，优先级高
使用信号的目的：
1.让进程知道已经发生了一个特定的事情
2.强迫进程执行它自己代码中的信号处理程序(中断机制)

二、信号的来源

信号的来源可以有很多种试，按照产生条件的不同可以分为硬件和软件两种。

1、 硬件方式

当用户在终端上按下某键时，将产生信号。如按下组合键后将产生一个SIGINT信号。
终端按键产生信号
ctrl+c ==> 2)SIGINT用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
ctrl+z ==> 20) SIGTSTP 停止终端交互进程的运行。默认动作为暂停进程。
ctrl+\ ==> 3) SIGQUIT 用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信号。默认动作为终止进程。
硬件异常产生信号：除数据、无效的存储访问等。这些事件通常由硬件(如:CPU)检测到，并将其通知给Linux操作系统内核，然后内核生成相应的信号，并把信号发送给该事件发生时正在进行的程序。
异常程序操作（eg:除0操作） ==>8) SIGFPE 在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
非法访问内存 ==>20) SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。默认动作为暂停进程。
总线错误 ==>7) SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生core文件。

2、 软件方式

用户在终端下调用kill命令向进程发送任务信号。
kill -15 pid (15:信号编号 向进程发送SIGTERM信号)
进程调用kill或sigqueue函数发送信号。
当检测到某种软件条件已经具备时发出信号，如由alarm或settimer设置的定时器超时时将生成SIGALRM信号。

三、信号的机制

每一进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的，内核处理
A给B发送信号。B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，立即去处理信号(信号的优先级高)。与硬件中断类似，但信号是软件层实现的中断，又成为“软中断”。

四、信号的种类

1> Linux 系统信号列表

在Shell下输入kill –l 可显示Linux 系统支持的全部依赖，信号列表如下：

2>信号的值定义

在signal.h中，在Linux中没有16和32这两个信号。上面信号的含义如下：
(1) SIGHUP：当用户退出Shell时，由该Shell启的发所有进程都退接收到这个信号，默认动作为终止进程。
(2) SIGINT：用户按下组合键时，用户端时向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
(3) SIGQUIT：当用户按下组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
(4) SIGILL ：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件。
(5) SIGTRAP：该信号由断点指令或其他trap指令产生。默认动作为终止进程并产生core文件。
(6) SIGABRT：调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
(7) SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存地址对齐（alignment）出错，默认动作为终止进程并产生core文件。
(8) SIGFPE：在发生致命的算术错误时产生。不仅包括浮点运行错误，还包括溢出及除数为0等所有的算术错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
(9) SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略、处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了一种可以杀死任何进程的方法。
(10) SIGUSR1：用户定义的信号，即程序可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
(11) SIGSEGV：指示进程进行了无效的内存访问。默认动作为终止进程并使用该信号。默认动作为终止进程。
(12) SIGUSR2：这是另外一个用户定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
(13) SIGPIPE：Broken pipe：向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
(14) SIGALRM：定时器超时，超时的时间由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。
(15) SIGTERM：程序结束(terminate)信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和处理。通常用来要求程序正常退出。执行Shell命令kill时，缺少产生这个信号。默认动作为终止进程。
(16) SIGCHLD：子程序结束时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略该信号。
(17) SIGCONT：让一个暂停的进程继续执行。
(18) SIGSTOP：停止(stopped)进程的执行。注意它和SIGTERM以及SIGINT的区别：该进程还未结束，只是暂停执行。本信号不能被忽略、处理和阻塞。默认作为暂停进程。
(19) SIGTSTP：停止进程的动作，但该信号可以被处理和忽略。按下组合键时发出该信号。默认动作为暂停进程。
(20) SIGTTIN：当后台进程要从用户终端读数据时，该终端中的所有进程会收到SIGTTIN信号。默认动作为暂停进程。
(21) SIGTTOU：该信号类似于SIGTIN，在后台进程要向终端输出数据时产生。默认动作为暂停进程。
(22) SIGURG：套接字（socket）上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出此信号，报告有紧急数据到达。默认动作为忽略该信号。
(23) SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。
(24) SIGXFSZ：超过文件最大长度的限制。默认动作为yl终止进程并产生core文件。
(25) SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是它只计算该进程占有用的CPU时间。默认动作为终止进程。
(26) SIGPROF：类似于SIGVTALRM，它不仅包括该进程占用的CPU时间还抱括执行系统调用的时间。默认动作为终止进程。
(27) SIGWINCH：窗口大小改变时发出。默认动作为忽略该信号。
(28) SIGIO：此信号向进程指示发出一个异步IO事件。默认动作为忽略。
(29) SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。
(30) SIGRTMIN~SIGRTMAX：Linux的实时信号，它没有固定的含义(或者说可以由用户自由使用)。注意，Linux线程机制使用了前3个实时信号。所有的实时信号的默认动作都是终止进程。

3> 查看singal信号四要素

执行命令：man 7 signal

默认处理动作
Term:终止进程
Core:终止进程，生成Core文件(查验进程死亡原因，用于gdb调试) ulimit -a/ulimit -c 1024
Ing:忽略信号
Stop:暂停信号
Cont:继续运行进程

9)SIGKILL和19)SIGSTOP信号，不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。
只要产生信号发送的事件发送，信号一定会产生并且递送，但是由于阻塞信号集的原因，该信号不一定会被递达，信号的产生和处理都是内核做到事情。信号的处理方式是信号递达之后的处理方式

五、进程对信号的响应

当信号发生时，用户可以要求进程以下列3种方式之一对信号做出响应。

1、 捕捉信号

对于要捕捉的信号，可以为其指定信号处理函数，信号发生时该函数自动被调用，在该函数内部实现对该信号的处理。

2、 忽略信号

大多数信号都可使用这种方式进行处理，但是SIGKILL和SIGSTOP这两个信号不能被忽略，同时这两个信号也不能被捕获和阻塞。此外，如果忽略某某些由硬件异常产生的信号(如非法存储访问或除以0)，则进程的行为是不可预测的。

3、 按照系统默认方式处理

大部分信号的默认操作是终止进程，且所有的实时信号的默认动作都是终止进程。

六、信号处理函数与相关结构

1、信号安装

(1)、signal()

注册一个信号捕捉函数

void (*signal(int signum, void (*handler))(int)))(int);

如果该函数原型不容易理解的话，可以参考下面的分解方式来理解：

typedef void (*sighandler_t)(int)；
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));

第一个参数指定信号的值，第二个参数指定针对前面信号值的处理，可以忽略该信号（参数设为SIG_IGN）；可以采用系统默认方式处理信号(参数设为SIG_DFL)；也可以自己实现处理方式(参数指定一个函数地址)。如果signal()调用成功，返回最后一次为安装信号signum而调用signal()时的handler值；失败则返回SIG_ERR。

(2)、sigaction()

函数用于改变进程接收到特定信号后的行为。

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

该函数的第一个参数为 信号的值，可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号（为这两个信号定义自己的处理函数，将导致信号安装错误）。
第二个参数是指 向结构sigaction的一个实例的指针，在结构sigaction的实例中，指定了对特定信号的处理，可以为空，进程会以缺省方式对信号处理；
第三个 参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理，可指定oldact为NULL。如果把第二、第三个参数都设为NULL，那么该函数可用于检查 信号的有效性。
示例：

// 自定义信号捕捉函数
void sigShutdownHandler(int sig)
{
switch (sig)
{
case SIGINT:
break;
case SIGTERM:
break;
default:
break;
}
exit(0);
}

int initsignalHandle()
{
struct sigaction act;
signal(SIGHUP，SIG_IGN);
signal(SIGPIPE，SIG_IGN);
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
act.sa_handler = sigShutdownHandler;
sigaction(SIGTERM，&act，NULL);
sigaction(SIGINT，&act，NULL);
return 0;
}

信号的产生和处理都是由内核进行的
频繁的在用户态和内核态进行切换是很浪费时间的

2、发送信号函数

(1) raise

int raise(int sig); 

对当前进程发送指定信号

(2)pause

 int pause(void); 

将进程挂起等待信号

(3)kill

 int kill(pid_t pid,int sig);

通过进程编号发送信号

(4) alarm

unsigned int alarm(unsigned int seconds); 

指定时间（秒）发送SIGALRM信号。 seconds 为0 时取消所有已设置的alarm请求；

(5) sigqueue

int sigqueue(pid_t pid,int sig,const union sigval val);
类似于kill函数，多了附带共用体 union sigval形数，将共用体中的成员 int sival_int 或 void *sival_ptr 的值传递给 信号处理函数中的定义类型 siginfo_t 中的 int si_int 或 void *si_ptr；

(6) setitimer

int setitimer(int which,const struct itimerval *value,struct itimerval *oldvalue); 

可定时发送信号，根据which可指定三种信号类型：SIGALRM、SIGVTALRM 和 SIGPROF；作用时间也因which值不同而不同;struct itimerval 的成员 it_interval定义间隔时间，it_value 为0时，使计时器失效；

(7) abort

 void abort(void) ;

将造成进程终止；除非捕获SIGABORT信号;

3、信号集及信号集操作

sigfillset(sigset_t *set); 设置所有的信号到set信号集中；
sigemptyset(sigset_t *set); 从set信号集中清空所有信号；
sigaddset(sigset_t *set,int sig);在set信号集中加入sig信号；
sigdelset(sigset_t *set,int sig);在set信号集中删除sig信号；

4、阻塞信号相关函数

int sigprocmask(int how,const sigset_t *set,sigset_t *set);
根据how值，设置阻塞信号集，或释放阻塞的信号集
int sigpending(sigset_t *set); 获取在阻塞中的所有信号；
int sigsuspend(const sigset_t *set); 类似于 pause()函数！

七、解决问题

1> 解决时序问题

可以通过设置屏蔽SIGALRM的方法来控制程序执行逻辑，但无论如何设置，程序都有可能在“解除信号屏蔽字”与“挂起等待信号”这个两个操作间隙失去CPU。除非将这两个步骤合成原子操作。sigsuspend可以实现。
int sigsuspend(const sigset_t *mask) 挂起等待信号
sigsuspend函数调用期间，进程信号屏蔽字由参数mask决定
可将某个信号从临时信号屏蔽集种删除，这样在调用sigsuspend时将解除对该信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，信号屏蔽字恢复原来的值。

#include <iostream>
using namespace std;
void myheadler(int signo)
{
    cout<<"aa"<<endl;
}
int main(void)
{
    signal(SIGALARM,myheadler);
    sigset_t mask;
    sigfillset(&mask);
    sigdelset(&mask,SIGALARM);
    alarm(1);
    sigsuspend(&mask);
    while(1);
    return 0;
}

时序问题总结
竞态条件，跟系统负载有很紧密的关系，体现除信号的不可靠性。系统负载越严重，信号不可靠性越强。不可靠由其实现原理所致。信号是通过软件方式实现，每次系统调用结束后或中断处理结束后，需通过扫描PCB中的未决信号集来判断是否应处理某个信号。当系统负载过重时，会出现混乱

2>可不可重入函数

一个函数在被调用执行期间(尚未调用结束)，由于某时序又被重复调用，称之为"重入"。
1.定义可重入函数，函数内不能包含全局变量集static变量，不能使用malloc、free
2.信号捕捉函数应设计为可重入函数
3.不可重入的原理：使用静态数据结构 调用了malloc和new (不是栈结构) 是标准I/O

3>僵尸进程

当子进程停止或者结束时，会向父进程发送SIGCHLD信号，该信号默认处理动作是忽略，所有产生僵尸进程。
我们之前的程序是，在父进程中调用 wait或者waitpid来回收子进程，此时父进程要么阻塞等待，要么非阻塞而采用轮询的方式。那么将会导致父进程不能做其他工作，只能等着回收子进程。
我们可以利用SIGCHLD信号来捕捉，当有SIGCHLD信号产生时，父进程执行信号捕捉函数。

void sigchldHeadler(int signo)
{
    pid_t pid;
    int status;
    while((pid=waitpid(-1,&status,WNOHANG))>0)
    {
        printf("回收成功:%d   ok\n",pid);
        if(WIFEXITED(status))
        {
            printf("退出状态:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
        if(WIFSIGNALED(status))
        {
            printf("退出状态(信号):%d\n",WTERMSIG(status));
        }
    }
}
 
int main(void)
{
    //创建10个子进程
    int i;
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        pid_t pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
            break;
        }
    }
    if(i < 10)
    {
        printf("I am child:%d\n",getpid());
        sleep(1);
    }
    else if(i == 10)
    {      
        struct sigaction act;
        act.sa_handler = sigchldHeadler;
        act.sa_flags = 0;
        sigemptyset(&act.sa_mask);
        sigaction(SIGCHLD,&act,NULL);
        while(1)
        {
            printf("I am parent:%d\n",getpid());   
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

注：
当父进程在执行信号捕捉函数时，又有子进程死亡。或者有多个子进程死亡。我们知道信号集是位图机制，是不支持排队的。

 while((pid=waitpid(-1,&status,WNOHANG))>0)

当父进程的信号捕捉函数还没有注册，就已经有子进程结束了。导致僵尸进程…

if(i < 10)
    {
        printf("I am child:%d\n",getpid());
        sleep(1);
    }

4> 信号传参

(a) sigqueue

前面讲到信号是不能携带大量数据的，一般通过 kill 来发送信号
但是信号可以携带数据，可以携带少量。
通过sigqueue函数，可在向指定进程发送信号的同时携带参数

int sigqueue(pid_t pid,int sig,const union sigval value);

成功返回0，失败-1，设置error
注意事项：
向指定进程发送指定信号的同时携带数据。不能够传地址，不能进程之间虚拟地址空间各自独立，当前进程地址传递给另一进程没有实际意义
捕捉函数：

(b) sigaction

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

    成功：0    失败：-1，并设置error
    act:新的处理方式
    oldact:传出参数，旧的处理方式

      struct sigaction{
		void  (*sa_handler)(int);
		void  (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
		sigset_t sa mask;
		int  sa_flags;
		void  (*sa restorer)(void):
	};

不使用sa_handler，而使用sa_sigaction。sa_flags必须指定为SA_SIGINFO

? alarm函数

	说明：设置定时器(闹钟)。在指定多少秒后，内核会给当前进程发送14)SIGALRM信号，进程收到该信号，默认动作终止进程。无论进程处于某种状态都会记时
    原型：
    unsigned int alarm(unsigned int seconds);
    返回0或剩余的秒数

取消定时器：alarm(0)

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
 
int main(void)
{
    int i=0;
    alarm(1);   //定时1秒,14)SIGALRM  终止进程
   
    while(1)
    {
        ++i;
        //cout<<i<<endl;
        printf("%d\n",i);   //printf比cout更快一点点
    }
    return 0;
}

(d)setitimer函数

说明：设置定时器(闹钟)。可替代alarm函数，精度微妙us,可实现周期定时
原型：

int setitimer(int which,const struct itimerval *new_value,struct itimerval *old_value);

成功返回 0 失败-1，并设置error

#include <iostream>
#include <sys/time.h>
using namespace std;
 
void myalarm(unsigned long sec)
{
    itimerval it,oldit;
 
    it.it_interval.tv_sec = 0;
    it.it_interval.tv_usec = 0;
    it.it_value.tv_sec = 1;
    it.it_value.tv_usec = 0;
    int ret = setitimer(ITIMER_REAL,&it,&oldit);
    if(ret == -1)
    {
        perror("setitimer err");
        exit(-1);
    }
    return;
}
 
int main(void)
{   
    int i;
    myalarm(1);
    while(1)
    {
        printf("%d\n",i);
        ++i;
    }
    return 0;
}