【Linux进程信号】Linux信号机制深度解析:保存与处理技巧
Eternity._ 2024-10-19 11:37:03 阅读 78
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❀Linux进程信号
📒1. 信号的保存🌊在内核中的表示🍂sigset_t
📙2. 信号集操作函数📚3. 信号的处理🌸sigaction
📜4. 可重入函数📝5. volatile📖6. 总结🌵SIGCHLD信号(了解)
🔍前言:在Linux操作系统的广阔天地中,信号机制无疑是一个充满挑战与机遇的领域。信号,作为进程间通信的一种重要方式,不仅承载着丰富的信息,还扮演着进程控制与管理的重要角色。然而,对于许多初学者而言,信号的保存与处理往往是一个难以逾越的障碍
本文旨在为广大Linux学习者提供一份详尽而实用的指南,帮助他们深入理解Linux中的信号机制,掌握信号的保存与处理技巧。我们将从信号的基本概念出发,逐步深入到信号的捕获、保存、处理以及恢复等各个环节,通过生动的实例和详细的解释,让读者能够轻松掌握这一复杂而强大的功能
让我们一同踏上这段充满探索与发现的旅程,共同揭开Linux信号机制的神秘面纱吧!
📒1. 信号的保存
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递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作
🌊在内核中的表示
在Linux内核中,信号的保存主要依赖于三种数据结构:pending表、block表和handler表
pending表:
pending表是一张位图(bitmap),用于记录当前进程是否收到了信号,以及收到了哪些信号当进程接收到一个信号时,对应的信号位图上的比特位就会由0置1,表示该信号处于未决(Pending)状态
block表:
block表也是一张位图,用于记录特定信号是否被屏蔽(阻塞)比特位的内容为0表示不屏蔽,为1表示屏蔽。屏蔽的信号在解除屏蔽之前不会被操作系统处理
handler表:
handler表是一个函数指针数组,用于保存每个信号对应的处理方法这些处理方法可以是默认的,或者忽略的,当然也可以是用户自定义的。当信号被递达时,操作系统会根据handler表找到对应的处理方法并执行
举个例子:上图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
🍂sigset_t
sigset_t是一个在Unix和Linux系统中用于表示信号集的数据类型。信号集本质上是一个信号的集合,用于指定多个信号,通过使用sigset_t,可以轻松地指定一组信号,并在诸如信号阻塞、信号等待等操作中使用这组信号
sigset_t信号集操作函数:
<code>sigemptyset():初始化信号集,将其设置为空集
sigfillset()
:初始化信号集,将其设置为包含所有信号的集合sigaddset()
:向信号集中添加一个信号sigdelset()
:从信号集中删除一个信号sigismember()
:检查一个信号是否属于某个信号集
📙2. 信号集操作函数
信号集操作函数用于处理与信号集(sigset_t类型)相关的操作。这些函数允许用户初始化信号集、添加或删除信号、检查信号是否存在于信号集中,以及修改进程的信号屏蔽字
sigprocmask()函数:
读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)
返回值:若成功则为0,若出错则为-1
<code>int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
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 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针,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,下表说明了how参数的可选值
代码示例:
<code>void headler(int signo)
{ -- -->
cout << "headler: " << signo << endl;
// exit(0);
}
int main()
{
cout << "pid: " << getpid() << endl;
signal(2, headler);
sigset_t block, oblock;
// 初始化
sigemptyset(&block);
sigemptyset(&oblock);
sigaddset(&block, 2); // 设置对2号信号的屏蔽
sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock);
while(1)
{
sleep(1);
}
return 0;
}
那我们到底能不能屏蔽所有普通信号呢?我们来测试一下
修改代码:
<code>for(int signo = 1; signo <= 31; signo++) sigaddset(&block, signo);
<code>我们发现9号信号,19号信号是不会被屏蔽的
注意: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,至少将其中一个信号递达
sigpending()函数:
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出
返回值:调用成功则返回0,出错则返回-1
<code>int sigpending(sigset_t *set);
代码示例:
void PrintPending(const sigset_t &pending)
{ -- -->
for(int signo = 32; signo > 0; signo--)
{
if(sigismember(&pending, signo))
{
cout << "1";
}
else{
cout << "0";
}
}
cout << endl;
}
int main()
{
cout << "pid: " << getpid() << endl;
// 屏蔽2号信号
sigset_t set, oset;
sigemptyset(&set);
sigemptyset(&oset);
sigaddset(&set, 2);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
int cnt = 0;
// 让进程不断获取当前进程的pending
sigset_t pending;
while(1)
{
sigpending(&pending);
PrintPending(pending);
sleep(1);
// 对2好信号进行解除屏蔽
cnt++;
if(cnt == 16)
{
cout << "对2号信号进行解除屏蔽,准备递达" << endl;
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
}
}
return 0;
}
当我们对信号进行处理的时候,会先将pending位图中的<code>1 -> 0,然后再去调用信号捕捉方法
📚3. 信号的处理
进程从内核态返回到用户态的时候(包含身份的变化),进行信号的检测和信号的处理
用户态是一种受控的状态,能够访问的资源是有限的(只能访问自己的[ 0 - 3GB] )内核态是一种操作系统的工作状态,能够访问大部分系统资源(可以让用户以OS的身份访问[ 3 - 4GB])
调用系统调用接口就是在进程地址空间中进行的!
🌸sigaction
sigaction是一个POSIX标准的系统调用,用于更改和检查信号的处理方式。与传统的signal函数相比,sigaction提供了更多的控制选项和更可靠的信号处理方式
<code>int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
signum
:信号编号,指定要设置的信号act
:指向sigaction结构的指针,在sigaction的实例中指定了对特定信号的处理。如果为NULL,则进程会以缺省方式对信号处理oldact
:指向的对象用来保存原来对相应信号的处理,如果为NULL,则不保存
act和oldact指向sigaction结构体
代码示例:
<code>void Print(const sigset_t &pending);
void handler(int signo)
{ -- -->
cout << "get a signo: " << signo << endl;
while(1)
{
sigset_t pending;
sigpending(&pending);
Print(pending);
sleep(1);
}
}
void Print(const sigset_t &pending)
{
for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
{
if(sigismember(&pending, signo))
{
cout << "1";
}
else
{
cout << "0";
}
}
cout << endl;
}
int main()
{
cout << "pid: " << getpid() << endl;
struct sigaction act, oact;
act.sa_handler = handler;
// 增加对3号信息的屏蔽
sigemptyset(&act.sa_mask);
sigaddset(&act.sa_mask, 3);
// 对2信号进行屏蔽
sigaction(2, &act, &oact);
while(1) sleep(1);
return 0;
}
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恢复原来的信号屏蔽字
多个信号情况:
代码示例:
<code>void Print(const sigset_t &pending);
void handler(int signo)
{ -- -->
cout << "get a signo: " << signo << endl;
sleep(1);
}
void Print(const sigset_t &pending)
{
for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
{
if(sigismember(&pending, signo))
{
cout << "1";
}
else
{
cout << "0";
}
}
cout << endl;
}
int main()
{
signal(2, handler);
signal(3, handler);
signal(4, handler);
signal(5, handler);
sigset_t mask, omask;
sigemptyset(&mask);
sigemptyset(&omask);
sigaddset(&mask, 2);
sigaddset(&mask, 3);
sigaddset(&mask, 4);
sigaddset(&mask, 5);
sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &omask);
cout << "pid: " << getpid() << endl;
int cnt = 20;
while(1)
{
sigset_t pending;
sigpending(&pending);
Print(pending);
cnt--;
sleep(1);
if(cnt == 0)
{
sigprocmask(SIG_SETMASK, &omask, nullptr);
cout << "cancel 2,3,4,5 block" << endl;
}
}
return 0;
}
由实验结果来看,我们系统是等所有的信号处理完全了,统一再进行返回的,并且他并不是按照顺序来处理信号的
📜4. 可重入函数
可重入函数是指可以被多个任务(如线程、进程)同时调用,并且能保证每个任务调用该函数时都能得到正确结果的函数。换句话说,这种函数在执行的任何时刻都可以被中断,然后在中断点恢复执行而不会导致错误
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 两步都做完之后从sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续 往下执行,先前做第一步之后被打断,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中insert函数被不同的控制流程调用,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,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为 不可重入函数,反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数
不可重入函数(符合以下任一条件):
调用了<code>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库函数,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
📝5. volatile
volatile是一个类型修饰符,用于告诉虚拟机该变量是极有可能多变的,从而免于一些优化措施,确保变量的正确性和线程间的通信。它主要用于多线程环境下的变量共享,确保变量的可见性和有序性
代码示例:
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int flag = 0;
void headler(int signo)
{ -- -->
cout << "signo: " << signo << endl;
flag = 1;
cout << "change flag to: " << flag << endl;
}
int main()
{
signal(2, headler);
cout << "pid: " << getpid() << endl;
while(!flag);
cout << "qiut normal!" << endl;
return 0;
}
标准情况下,键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉,执行自定义动作,修改 flag=1 , while 条件不满足,退出循环,进程退出
优化情况下<code>(-O2)(不是数字0),键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉,执行自定义动作,修改 flag=1 ,但是 while 条件依旧满足,进程继续运行
所以要想不让编译器优化,我们需要加上<code>volatile
volatile int flag = 0;
📖6. 总结
🌵SIGCHLD信号(了解)
SIGCHLD信号在子进程状态改变时发送给其父进程。子进程的状态改变包括以下几种情况:
子进程终止,无论是正常终止还是异常终止(如有core dump或无core dump)子进程停止,例如接收到SIGSTOP信号停止的子进程被SIGCONT信号唤醒并继续执行
代码示例:
<code>#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
void handle(int signo) { -- -->
int status;
pid_t pid;
while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {
if (WIFEXITED(status)) {
printf("Child %d exited with status %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));
} else if (WIFSIGNALED(status)) {
printf("Child %d killed by signal %d\n", pid, WTERMSIG(status));
}
}
}
int main() {
pid_t pid;
struct sigaction act;
// 设置SIGCHLD信号的处理函数
act.sa_handler = handle;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
// 创建子进程
pid = fork();
if (pid < 0)
{
perror("fork");
exit(1);
}
else if (pid == 0)
{
// 子进程代码
printf("Child process (PID: %d) is running\n", getpid());
sleep(5); // 模拟子进程工作
exit(0); // 子进程正常退出
}
else
{
// 父进程代码
printf("Parent process (PID: %d) is running\n", getpid());
// 父进程可以继续执行其他任务,等待SIGCHLD信号来回收子进程
while (1) {
sleep(10); // 模拟父进程工作
printf("Parent process is still running\n");
}
}
return 0;
}
父进程设置了SIGCHLD信号的处理函数handle_sigchld,该函数会在子进程状态改变时被调用。在处理函数中,父进程使用waitpid()函数来回收子进程的资源
随着我们对Linux中信号保存与处理机制的深入探讨,我们不难发现,信号不仅是进程间通信的一种重要手段,更是Linux操作系统内核提供的一种强大而灵活的控制机制。通过信号的捕获、保存、处理以及恢复,我们可以实现对进程行为的精确控制,从而满足各种复杂的系统需求
在本文的学习过程中,我们共同经历了从信号的基本概念到高级应用的逐步深入,见证了信号处理在Linux编程中的广泛应用和重要作用。我们不仅掌握了信号的捕获和处理技巧,还学会了如何在实际开发中灵活运用这些技巧来解决实际问题
学习之路永无止境。虽然我们已经对Linux中的信号机制有了较为深入的了解,但仍有许多未知和待探索的领域等待我们去发现。例如,信号的实时性、优先级以及信号与线程的关系等高级话题,都是值得我们进一步学习和研究的
我相信,通过我们的共同努力和不断学习,你一定能够在Linux编程的道路上越走越远,取得更加辉煌的成就!不断探索和学习新的领域,不断提升自己的编程能力和技术水平!
希望本文能够为你提供有益的参考和启示,让我们一起在编程的道路上不断前行!
谢谢大家支持本篇到这里就结束了,祝大家天天开心!
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