目录

• 注意
• 信号概念
• 用kill -l命令可以查看系统定义的信号列表
• 信号处理常见方式概览
• 产生信号
• • 1. 通过终端按键产生信号
  • • Core Dump
  • 2. 调用系统函数向进程发信号
  • 3. 由软件条件产生信号
  • 4. 硬件异常产生信号
• 信号捕捉
• • • 模拟一下野指针异常
• 总结
• 阻塞信号
• • 1. 信号其他相关常见概念
  • 2. 在内核中的表示
  • 3. sigset_t
  • 4. 信号集操作函数
  • • sigprocmask
    • sigpending
• 捕捉信号
• • 1. 内核如何实现信号的捕捉
  • • 用户态和内核态
  • sigaction
• 可重入函数
• volatile
• SIGCHLD信号

注意

• Ctrl-c产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行，这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。
• Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接到像Crtl-c这种控制键产生的信号。
• 前台进程在运行过程中用户随时可能按下Ctrl-c而产生一个信号，也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到SIGINT信号而终止，所以信号相对于进程的控制流程来说是异步。

信号概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

用kill -l命令可以查看系统定义的信号列表

• 每个信号都有一个编号和一个宏定义名称，这些宏定义可以在signal.h中找到，例如其中有定义#define SIGINT 2
• 编号34以上的是实时信号，可以用man 7 signal查看这些信号的默认处理动作

信号处理常见方式概览

1. 忽略此信号。
2. 执行该信号的默认处理动作。
3. 提供一个信号处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉一个信号。

产生信号

1. 通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump

Core Dump

首先解释一下什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core，这叫做Core Dump。进程异常终止通常是因为有Bug，比如非法内存访问导致段错误，事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因，这叫做Post-cortem Debug（事后调试）。一个进程允许产生多大的core取决于进程的Resource Limit（这个信息保存在PCB中）。默认是不允许产生core文件的，因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息，不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制，允许产生core文件。首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit，允许core文件最大为1024KB：ulimit -c 1024

然后写一个死循环程序

前台运行这个程序，然后再终端键入Crtl-\

ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit，test进程的PCB由Shell进程复制而来，所以也具有和Shell进程相同的Resource Limit值，这样就可以产生Core Dump了。

2. 调用系统函数向进程发信号

首先再后台执行死循环程序，然后用kill命令给它发SIGSEGV信号。

• 5448是test进程的pid。之所以要再次回车才显示Segmentation fault是因为在5448进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令，Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起，所以等用户输入命令之后才显示。
• 指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法，上面的命令还可以写成kill -SIGSEGV 5448或kill -11 5448，11是信号SIGSEGV的编号。以往遇到的段错误都是由非法内存访问而产生的，而这个程序本身没错，给它发SIGSEGV也能产生段错误。

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发送指定的信号。raise函数可以给当前进程发送指定的信号（给自己发送信号）。

#include 
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);
两个函数都是成功返回0，错误返回1

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。

#include 
void abort(void);
就像exit函数一样，abort函数总是会成功的，所以没有返回值

3. 由软件条件产生信号

SIGPIPE，SIGALRM都是由软件条件产生的信号

#include 
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事件还余下的秒数。比方说某人要小憩一会儿，设定闹钟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，以前设定闹钟余下的时间就是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闹钟时间还余下的秒数。

#include 
#include int main()
{int count = 0;alarm(1);for (; 1; count++){printf("count = %d\n", count);}return 0;
}

4. 硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式检测到并通知内核，然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了非法内存地址，MMU会产生异常，内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

信号捕捉

#include   2 #include   3   4 void handler(int sig)  5 {  6   printf("catch a sig : %d\n", sig);                                        7 }                               8                                 9 int main()                      10 {                               11   signal(2, handler);           12   while(1);                     13   return 0;                     14 }

模拟一下野指针异常

//默认行为
#include 2 #include 3 4 void handler(int sig)5 {6   printf("catch a sig : %d\n", sig);7 }8 9 int main()10 {11   //signal(SIGSEGV, handler);                                               12                      13   int *p = NULL;     14   *p = 100;          15                                                                   16   while(1);                                                       17   return 0;                                                       18 }

//捕捉行为
#include   
#include   void handler(int sig)  {  printf("catch a sig : %d\n", sig);sleep(1);  }  int main()  {  signal(SIGSEGV, handler);                                                 int *p = NULL;  *p = 100;  while(1);  return 0;  
}

由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。

总结

• 上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行
• 信号并非立刻被处理，而是在合适的时候被处理
• 信号

阻塞信号

1. 信号其他相关常见概念

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决(Pending)
• 进程可以选择阻塞(Block)某个信号
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
• 注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会被递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

2. 在内核中的表示

信号在内核中的表示示意图

• 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中，SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作。
• SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
• SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，将如何处理？POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的：常规信号在递达之前产生多次只计一次，而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。

3. sigset_t

从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志，非0即1，不记录信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储，sigset_t称为信号集，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

4. 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用一下函数来操作sigset_t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t是没有意义的

#include 
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);

• 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集，使其中所有的信号对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号。
• 函数sigfillset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置位，表示该信号集的所有有效信号包括系统支持的所有信号。
• 注意，在使用sigset_t类型的变量之前一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后可以调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。

这四个函数都是成功返回0，出错返回-1。sigismember是一个bool函数，用于判断一个信号集的有效信息中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0，出错返回-1。

sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）。

#include 
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
返回值：成功为0，出错则为-1

如果oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针，则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask，下标说明了how参数的可选值。

如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将一个信号递达。

sigpending

#include 
sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。调用成功返回0，出错则返回-1。下面用刚学的几个函数做个实验。程序如下：

#include 
#include 
#include void printsigset(sigset_t *set)
{int i = 0;for (; i < 32; i++){if (sigismember(set, i)){putchar('1');}else {putchar('0');}}puts("");
}int main()
{sigset_t s, p;sigemptyset(&s);sigaddset(&s, SIGINT);sigprocmask(SIG_BLOCK, &s, NULL);while(1){sigpending(&p);printsigset(&p);sleep(1);}return 0;
}

程序运行时，每秒钟把各信号的未决状态打印了一遍，由于我们阻塞了SIGINT信号，按Ctrl-c将会使SIGINT信号处于未决状态，，按Ctrl-\仍然可以终止程序，因为SIGQUIT信号没有阻塞。

捕捉信号

1. 内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：用户程序注册了SIGQUIT信号的处理含sighandler。当前正在执行main函数，这时发生中断或异常或系统调用切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用关系，是两个独立的控制流程。sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次返回内核态。如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

用户态和内核态

CPU内存寄存器保存了当前进程的状态
用户态使用用户级页表，只能访问用户数据和代码
内核态使用内核级页表，只能访问内核级的数据和代码
用户的数据和代码一定要被加载到内存，那么OS的数据和代码也是一定要加载到内存中的。
进程之间无论如何切换，我们能够保证一定能够找到同一个OS，因为我们每个进程都有3~4G的地址空间，使用同一张内核页表。
所谓的系统调用，就是进程的身份转化为内核，然后根据内核页表找到找到系统函数，执行。
再大部分情况下，OS都是可以在进程的上下文中直接运行的

sigaction

#include 
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);
sigaction结构
struct sigaction
{void		(*sa_handler)(int);void		(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);sigset_t	sa_mask;int 		sa_flags;void 		(*sa_restorer)(void);
};

• sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回-1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体。
• 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为常熟SIG_DFL表示执行系统默认动作，赋值为一个函数表示用自定义函数捕捉信号，或者说向内核注册了一个信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然，这也是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用。

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么，它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段来说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动回复原来的信号屏蔽字。sa_flags字段包含一些选项，sa_sigaction是实时信号的处理函数。

可重入函数

main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1，插入操作分为两步，刚做完第一步的时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回用户态之前检查到有信号待处理，于是切换到sighandler函数，sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2，插入操作的两部都做完之后从sighandler返回内核态，再次回到用户态就从main函数中继续往下执行，先前做第一步之后被大端，现在继续做完第二步。结果是，main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点，而最后只有一个节点真正插入链表。
向上里这样，insert函数被不同控制流程调用，有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，这称为重入，insert函数访问一个全局链表，有可能因为冲入而造成错乱，像这样的函数称为不可重入函数，反之，如果一个函数之访问自己的局部变量或参数，则称为可重入(Reentrant)函数。
如果一个函数复合以下条件之一则是不可重入的：

• 调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
• 调用了标准I/O函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

volatile

[ssj@VM-24-15-centos signal]$ cat test_volatile.c
#include 
#include int flag = 0;void handler(int signo)
{printf("change flag 0 t0 1\n");flag = 1;
}int main()
{signal(2, handler);while(!flag);printf("process quit normally");return 0;
}
[ssj@VM-24-15-centos signal]$ cat Makefile
test_volatile:test_volatile.cgcc -o $@ $^ -O2.PHONY:clean
clean:rm -rf test_volatile[ssj@VM-24-15-centos signal]$ ./test_volatile
^Cchange flag 0 t0 1
^Cchange flag 0 t0 1
^Cchange flag 0 t0 1

• volatile作用：保持内存可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作。

SIGCHLD信号

用wait和waitpid函数可以清理僵尸进程，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理（也就是轮询的方式）。采用第一种方式，父进程阻塞了就不能处理自己的工作了；采用第二种方式，父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下，程序实现复杂。
其实，子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略，父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数，这样父进程只需专心处理自己的工作，不必关心子进程，子进程终止时会通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。
请编写一个程序完成以下功能：父进程fork出子进程，子进程调用exit(2)终止，父进程自定义SIGCHLD信号的处理函数，在其中调用wait获得子进程的退出状态并打印。
事实上，由于UNIX的历史原因，要想不产生僵尸进程还有另外一种方法：父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN，这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉，不会产生僵尸进程，也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的，但这是一个特例。此方法对于Linux可用，但不保证在其他UNIX系统上都可用。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include void handler(int signo)
{pid_t id;while ((id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0){printf("wait child success: %d\n", id);}printf("child is quit! %d\n", getpid());
}int main()
{signal(SIGCHLD, handler);pid_t cid = fork();if (cid == 0){printf("child : %d\n", getpid());sleep(3);exit(1);}while(1){printf("father proc is doing something\n");sleep(1);}return 0;
}