Linux 信号机制 （四）

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在信号处理机制（三）中，我们首先讨论了 Linux 信号的种类，来源，如何安装一个信号，如何发送一个信号，以及如何对信号集进行操作。 这篇文章 首先讨论从信号的生命周期上认识信号，或者宏观上看似简单地信号机制（进程收到信号之后，作如何相应的处理，看上去再简单不过了），在微观上是如何实现的，也就是在深层次上理解信号。 接下来还讨论了信号编程上的一些注意事项，最后给出了信号编程的一些实例。

信号的生命周期

从发送信号 –》 信号处理函数执行完毕。

对于一个完整的信号生命周期(从信号发送到相应的处理函数执行完毕)来说，可以分为三个重要的阶段，这三个阶段由四个重要事件来刻画：（1）信号诞生；（2）信号在进程中注册完毕；（3）信号在进程中的注销完毕；（4）信号处理函数执行完毕。相邻两个事件的时间间隔构成信号生命周期的一个阶段。

下面阐述四个阶段的意义

信号”诞生”，是指触发信号的事件发生了。（如检测到硬件异常、定时器超时以及调用信号发送函数kill()或sigqueue()等）

信号在目标进程中 ”注册“。 进程的

task_struct

结构中有关于本进程中未决信号的数据成员：

struct sigpending pending：   //task_struct中的一个成员项
struct sigpending{
struct sigqueue *head, **tail;
sigset_t signal;
};

第三个成员是进程中所有未决信号集，第一、第二个成员分别指向一个

sigqueue

类型的结构链（称之为”未决信号信息链”）的首尾，信息链中的每个

sigqueue

结构刻画一个特定信号所携带的信息，并指向下一个

sigqueue

结构:

struct sigqueue{
struct sigqueue *next;
siginfo_t info;
}

信号在进程中注册指的就是信号值加入到进程的未决信号集中（

sigpending

结构的第二个成员

sigset_t signal

），并且信号所携带的信息被保留到未决信号信息链的某个sigqueue结构中。 只要信号在进程的未决信号集中，表明进程已经知道这些信号的存在，但还没来得及处理，或者该信号被进程阻塞。

注：

当一个实时信号发送给一个进程时，不管该信号是否已经在进程中注册，都会被再注册一次，因此，信号不会丢失，因此，实时信号又叫做”可靠信号”。这意味着同一个实时信号可以在同一个进程的未决信号信息链中占有多个sigqueue结构（进程每收到一个实时信号，都会为它分配一个结构来登记该信号信息，并把该结构添加在未决信号链尾，即所有诞生的实时信号都会在目标进程中注册）；

当一个非实时信号发送给一个进程时，如果该信号已经在进程中注册，则该信号将被丢弃，造成信号丢失。因此，非实时信号又叫做”不可靠信号”。这意味着同一个非实时信号在进程的未决信号信息链中，至多占有一个sigqueue结构（一个非实时信号诞生后，（1）、如果发现相同的信号已经在目标结构中注册，则不再注册，对于进程来说，相当于不知道本次信号发生，信号丢失；（2）、如果进程的未决信号中没有相同信号，则在进程中注册自己）。

信号在进程中的注销。在目标进程执行过程中，会检测是否有信号等待处理（每次从系统空间返回到用户空间时都做这样的检查）。如果存在未决信号等待处理且该信号没有被进程阻塞，则在运行相应的信号处理函数前，进程会把信号在未决信号链中占有的结构卸掉。是否将信号从进程未决信号集中删除对于实时与非实时信号是不同的。对于非实时信号来说，由于在未决信号信息链中最多只占用一个sigqueue结构，因此该结构被释放后，应该把信号在进程未决信号集中删除（信号注销完毕）；而对于实时信号来说，可能在未决信号信息链中占用多个sigqueue结构，因此应该针对占用sigqueue结构的数目区别对待：如果只占用一个sigqueue结构（进程只收到该信号一次），则应该把信号在进程的未决信号集中删除（信号注销完毕）。否则，不应该在进程的未决信号集中删除该信号（信号注销完毕）。

进程在执行信号相应处理函数之前，首先要把信号在进程中注销。

信号生命终止。进程注销信号后，立即执行相应的信号处理函数，执行完毕后，信号的本次发送对进程的影响彻底结束。

1）信号注册与否，与发送信号的函数（如kill()或sigqueue()等）以及信号安装函数（signal()及sigaction()）无关，只与信号值有关（信号值小于SIGRTMIN的信号最多只注册一次，信号值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之间的信号，只要被进程接收到就被注册）。

2）在信号被注销到相应的信号处理函数执行完毕这段时间内（也就是信号处理函数执行中），如果进程又收到同一信号多次，则对实时信号来说，每一次都会在进程中注册；而对于非实时信号来说，无论收到多少次信号，都会视为只收到一个信号，只在进程中注册一次。 （与信号是否阻塞没有关系）。

二、发送信号造成的影响

发送信号（不是delivery信号）会对进程的调度造成影响：

当一个信号 x 发送给进程A的时候： 在单CPU机器上， 进程Ａ可能处于一下几种状态：　（１）　running (ready) （2）睡眠状态： 可中断睡眠 与 不可中断睡眠 （3） 停止状态。

当处于停止状态时： 通过 信号进入

running(ready)

状态。

当处于可中断睡眠状态时（因为 sleep() , read() 等系统调用，或者等待资源）： 将会被唤醒。 这个时候，如果是因为等待资源（等待网络数据，等待锁，等待磁盘数据）而被唤醒是不合理的，需要进一步处理。

三、信号编程注意事项

防止不该丢失的信号丢失。如果对上文中所提到的信号生命周期理解深刻的话，很容易知道信号会不会丢失，以及在哪里丢失

程序的可移植性

考虑到程序的可移植性，应该尽量采用POSIX信号函数，POSIX信号函数主要分为两类：

POSIX 1003.1信号函数： Kill()、sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、sigismember()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()。

POSIX 1003.1b信号函数。POSIX 1003.1b在信号的实时性方面对POSIX 1003.1做了扩展，包括以下三个函数： sigqueue()、sigtimedwait()、sigwaitinfo()。 其中，sigqueue主要针对信号发送，而sigtimedwait及sigwaitinfo()主要用于取代sigsuspend()函数，后面有相应实例。

#include <signal.h>
int sigwaitinfo(sigset_t *set, siginfo_t *info).

该函数与sigsuspend()类似，阻塞一个进程直到特定信号发生，但信号到来时不执行信号处理函数，而是返回信号值。因此为了避免执行相应的信号处理函数，必须在调用该函数前，使进程屏蔽掉set指向的信号，因此调用该函数的典型代码是：

sigset_t newmask;
int rcvd_sig;
siginfo_t info;
sigemptyset(&newmask);
sigaddset(&newmask, SIGRTMIN);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL);
rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info)
if (rcvd_sig == -1) {
..
}

调用成功返回信号值，否则返回-1。sigtimedwait()功能相似，只不过增加了一个进程等待的时间。

程序的稳定性。

为了增强程序的稳定性，在信号处理函数中应使用可重入函数。

信号处理程序中应当使用可再入（可重入）函数（注：所谓可重入函数是指一个可以被多个任务调用的过程，任务在调用时不必担心数据是否会出错）。因为进程在收到信号后，就将跳转到信号处理函数去接着执行。如果信号处理函数中使用了不可重入函数，那么信号处理函数可能会修改原来进程中不应该被修改的数据，这样进程从信号处理函数中返回接着执行时，可能会出现不可预料的后果。不可再入函数在信号处理函数中被视为不安全函数。

满足下列条件的函数多数是不可再入的：（1）使用静态的数据结构，如getlogin()，gmtime()，getgrgid()，getgrnam()，getpwuid()以及getpwnam()等等；（2）函数实现时，调用了malloc（）或者free()函数；（3）实现时使用了标准I/O函数的。

The Open Group视下列函数为可再入的：

_exit（）、access（）、alarm（）、cfgetispeed（）、cfgetospeed（）、cfsetispeed（）、cfsetospeed（）、chdir（）、chmod（）、chown（） 、close（）、creat（）、dup（）、dup2（）、execle（）、execve（）、fcntl（）、fork（）、fpathconf（）、fstat（）、fsync（）、getegid（）、 geteuid（）、getgid（）、getgroups（）、getpgrp（）、getpid（）、getppid（）、getuid（）、kill（）、link（）、lseek（）、mkdir（）、mkfifo（）、 open（）、pathconf（）、pause（）、pipe（）、raise（）、read（）、rename（）、rmdir（）、setgid（）、setpgid（）、setsid（）、setuid（）、 sigaction（）、sigaddset（）、sigdelset（）、sigemptyset（）、sigfillset（）、sigismember（）、signal（）、sigpending（）、sigprocmask（）、sigsuspend（）、sleep（）、stat（）、sysconf（）、tcdrain（）、tcflow（）、tcflush（）、tcgetattr（）、tcgetpgrp（）、tcsendbreak（）、tcsetattr（）、tcsetpgrp（）、time（）、times（）、 umask（）、uname（）、unlink（）、utime（）、wait（）、waitpid（）、write（）。

即使信号处理函数使用的都是”安全函数”，同样要注意进入处理函数时，首先要保存errno的值，结束时，再恢复原值。因为，信号处理过程中，errno值随时可能被改变。另外，longjmp()以及siglongjmp()没有被列为可再入函数，因为不能保证紧接着两个函数的其它调用是安全的。

另外，可重入函数(reentrance) 与线程安全(thread-safety)的关系式：

可重入一定是线程安全的。

但是线程安全 不一定是 可重入的。

四、深入浅出： 信号应用实例

Linux 下的信号： 程序员只需要做三件事情

(1) 安装信号 (推荐使用

sigaction()

)

(2) 实现三个参数的信号处理函数， handler(int signum, struct siginfo infot, void );

(3) 发送信号，推荐使用

sigqueue()

。

实际上，对有些信号，只需要信号安装函数就足够了（信号处理函数 采用 缺省或者忽略）。 其他的可能要做的 无非是 与 信号集相关的集中操作了。

实例1 实现信号发送以及处理

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

void new_op(int, siginfo_t*, void*);

int main(int argc, char* argv[]) {
struct sigaction act;
int sig;
sig = atoi(argv[1]);

sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
act.sa_sigaction = new_op;
//register the signal.
if(sigaction(sig, &act, NULL) < 0){
printf("install signal error\n");
}

while(1){
sleep(2);
printf("wait for the signal\n");
}
}

void new_op(int signum, siginfo_t *info, void * myact){
printf("receive signal %d\n", signum);
sleep(5);
}

说明，命令行参数为信号值。 后台运行 ./sigreceive signo &，可以获得该进程的ID。假设为 pid，然后再在另一个终端上 运行

kill -s signo pid

验证信号的发送接收以及处理。 同时，可以验证信号的排队问题。

注： 可以用

sigqueue

实现一个命令行信号发送程序

sigqueuesend

。

实例二： 信号传递附加信息

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
void new_op(int,siginfo_t*,void*);
int main(int argc,char**argv)
{
struct sigaction act;
union sigval mysigval;
int i;
int sig;
pid_t pid;
char data[10];
memset(data,0,sizeof(data));
for(i=0;i < 5;i++)
data[i]='2';            //
mysigval.sival_ptr=data;    //向其传递指针信息。

sig=atoi(argv[1]);
pid=getpid();

sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_sigaction=new_op;//三参数信号处理函数
act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息传递开关
if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
{
printf("install sigal error\n");
}
while(1)
{
sleep(2);
printf("wait for the signal\n");
sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本进程发送信号，并传递附加信息
}
}
void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三参数信号处理函数的实现
{
int i;
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%c\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i)));
}
printf("handle signal %d over;",signum);
}

这个例子中，信号实现了附加信息的传递，信号究竟如何对这些信息进行处理则取决于具体的应用。

不同的进程之间 传递 整形参数，把1中的信号发送和接受发送在两个程序中，并且在发送过程中传递整形参数。

首先是信号接收程序：

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
void new_op(int,siginfo_t*,void*);
int main(int argc,char**argv)
{
struct sigaction act;
int sig;
pid_t pid;

pid=getpid();
sig=atoi(argv[1]);

sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_sigaction=new_op;
act.sa_flags=SA_SIGINFO;
if(sigaction(sig,&act,NULL)<0)
{
printf("install sigal error\n");
}
while(1)
{
sleep(2);
printf("wait for the signal\n");
}
}
void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
{
printf("the int value is %d \n",info->si_int);
}

信号发送程序，命令行第二个参数为信号值，第三个参数为接收进程ID。

#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main(int argc,char**argv)
{
pid_t pid;
int signum;
union sigval mysigval;
signum=atoi(argv[1]);
pid=(pid_t)atoi(argv[2]);
mysigval.sival_int=8;//不代表具体含义，只用于说明问题
if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1)
printf("send error\n");
sleep(2);
}

注： 利用信号向进程之间传递整数。 但是 目前关于在linux下通过信号传递信息的实例非常少，倒是Unix下有一些，但传递的基本上都是关于传递一个整数，传递指针的我还没看到。我一直没有实现不同进程间的指针传递（实际上更有意义），也许在实现方法上存在问题吧，请实现者email我。

实例三： 信号阻塞以及信号集操作。

#include "signal.h"
#include "unistd.h"
static void my_op(int);
main()
{
sigset_t new_mask,old_mask,pending_mask;
struct sigaction act;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags=SA_SIGINFO;
act.sa_sigaction=(void*)my_op;
if(sigaction(SIGRTMIN+10,&act,NULL))    //注册信号处理函数。
printf("install signal SIGRTMIN+10 error\n");
sigemptyset(&new_mask);
sigaddset(&new_mask,SIGRTMIN+10);
if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask,&old_mask))   //添加阻塞信号。
printf("block signal SIGRTMIN+10 error\n");
sleep(10);
printf("now begin to get pending mask and unblock SIGRTMIN+10\n");
if(sigpending(&pending_mask)<0)    //得到未决的信号。
printf("get pending mask error\n");
if(sigismember(&pending_mask,SIGRTMIN+10))
printf("signal SIGRTMIN+10 is pending\n");
if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&old_mask,NULL)<0)
printf("unblock signal error\n");
printf("signal unblocked\n");
sleep(10);
}
static void my_op(int signum)
{
printf("receive signal %d \n",signum);
}

编译该程序，并以后台方式运行。在另一终端向该进程发送信号(运行kill -s 42 pid，SIGRTMIN+10为42)，查看结果可以看出几个关键函数的运行机制，信号集相关操作比较简单。

注：在上面几个实例中，使用了printf()函数，只是作为诊断工具，pringf()函数是不可重入的，不应在信号处理函数中使用。

五、结束语