进程信号

一、信号概念

1.一个信号产生及处理实例
1)在shell下，启动一个进程。
2)按下Ctrl+c，键盘输入产生一个硬件中断。
3)如果CPU正在运行这个进程则代码暂停执行，CPU从用户态返回到内核态。
4)终端程序将该动作解释成一个SIGINT信号，写在该进程的PCB中。
5)在某个时刻，CPU从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前，先处理PCB记录的信号，发现是SIGINT待处理，这个信号的默认处理动作是终止进程，就完成一个信号的产生及处理过程。
2.备注
1)Ctrl+c产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加&，可以将该命令放到后台运行。
2)Shell只能运行一个前台进程或者多个后台进程
3)在用户代码段任意位置使用Ctrl+c，都有可能受到SIGINT信号而终止进程。
4)查看系统定义的信号列表

kill -l
//一共有62个信号，31以下是常规信号，以上是实时信号

3.信号的产生方式
1)通过终端按键产生信号。
2)硬件异常产生信号，除零，访问非法地址。
3)调用系统函数向进程发送信号。闹钟超时产生SIGALRM信号。当往管道写数据也会产生SIGPIPE信号。
4)软件条件产生。
4。信号处理操作方式

1.忽略
2.默认执行
3.自定义动作，也称为信号的捕捉，通过处理函数实现。

5.一些基本的信号
1)SIGINT
默认处理动作是终止进程
2)SIGQUIT
默认处理动作是终止进程并产生Core Dump。当一个进程发生异常并终止时，可以把用户空间内存数据全部保存在硬盘上，文件名通常为Core。这个Core文件可以用来调试检查错误。默认是不允许产生Core文件的，因为这个文件有可能包含用户的一些私人信息，如密码。在开发调试阶段可以突破这个限制。

ulimit: 限制系统用户对shell资源的访问，是一种临时限制，当一个会话结束时，便结束限制。
ulimit -a: 查看限制的各项资源
ulimit -c 1024: 允许产生最大的Core文件是1024个字节。

当你异常终止一个进程时就会产生文件名为Core，后缀为当前进程的pid。
3)SIGSEGV

//当一个进程产生无效内存或产生段错误时，SIGERGV发送信号
//发送某种信号的kill命令，可以使用两种方法
kill -SIGERGV 进程号 
kill -11 进程号

6.有关函数
1)kill函数与raise函数

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid,int signo)；
int raise(int signo);
//kill可以给一个指定进程发送指定信号，raise可以给当前进程发送信号（自己给自己发信号）
//成功返回0，错误返回-1；

2)abort函数可使当前进程收到信号并终止

#include <signal.h>
void abort(void);
//像exit一样。

3)alarm闹钟函数

unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//可以设定一个闹钟，当多少秒之后给当前进程发送信号，该信号默认动作为终止进程
//返回值：返回零或者是以前设定闹钟时间还余下的秒数。如果参数为0，代表取消以前设定的闹钟。

二、信号阻塞

1、信号递达（Delivery）
实际执行信号处理动作。
2.信号未决（Pending）
信号从产生到递达之间的状态。
3.信号阻塞（Block）
进程可以选择阻塞某个信号，被阻塞的进程一直处于Pending状态，一旦阻塞被解除，就会执行递达。

4.内核中的表示

5.sigset_t：信号集
1)每一个信号使用一个位图表示，用0或1表示阻塞或未决，这些标志可以使用数据类型sigset_t表示。代表有效或无效。
2)阻塞信号集也被称为当前进程的信号屏蔽字（Signal Mask）。
3)信号集操作函数

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);//清空并初始化，使其中所有信号的对应bit为0
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set,int signo);//添加信号
int sigdelest(sigset_t *set,int signo);//删除信号
int sigismember(const sigset_t *set,int signo);//判断指定信号集是否在目标集合中

//两个重要的函数
int sigprocmask(int how,const sigset_t *set,sigset_t *oset)
如果set为非空指针，则指定how进行什么动作，参数how有三个可选值，可以对信号进行阻塞操作

int sigpending(sigset_t *set);
获取未决信号集

三、信号的捕捉

1.捕捉信号
如果信号的处理动作是用户自定义函数，那么在信号递达时时就调用这个函数，这称为捕捉信号。

注：
1)main和sighandler属于两个独立的控制流程。
2)为什么内核要将自定义函数交给用户模式执行呢？
因为操作系统不相信任何人，外部函数有可能含有危险代码，影响操作系统的稳定性，所以将一些涉及用户自定义函数，在用户模式下运行，这也就很容易理解了子进程的另一个作用。
2.sigaction
查询或设置信号处理方式

int sigaction(int signo,const struct sigaction *act ,struct sigaction *oact);
//结构体
struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};
sa_handler此参数和signal()的参数handler相同，代表新的信号处理函数。
sa_mask 用来设置在处理该信号时暂时将sa_mask 指定的信号集搁置。
sa_flags 用来设置信号处理的其他相关操作，下列的数值可用。
//SA_RESETHAND：当调用信号处理函数时，将信号的处理函数重置为缺省值SIG_DFL
//SA_RESTART：如果信号中断了进程的某个系统调用，则系统自动启动该系统调用
//SA_NODEFER ：在该信号处理函数运行时，内核将不会阻塞该信号

3.pause
pause函数使调用进程挂起直到有信号递达。为了不浪费宝贵的CPU资源，先去执行其他进程，当信号递达时，CPU再去处理它。

int pause(void);
//信号处理动作是终止进程，则pause没有机会返回。
//如果是忽略，则继续处于挂起状态，pause不返回。
//如果是捕捉，则调用自定义函数后，返回-1，error设置为EINTR，被信号中断
所以pause只有出错的返回值。

4.实现sleep（5）函数，利用alarm和pause实现。

#include <stdio.h>                                                                                                                                         
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void sig_alrm(int signo)
{
     //do nothing，虽然自定义处理函数什么也不做，但是如果你不指定，alarm函数的默认
     //处理动作是终止当前进程，当前这个进程直接就挂掉了。
}

unsigned int mysleep(unsigned int seconds)
{
     struct sigaction new,old;
     unsigned int unslept=0;
     new.sa_handler=sig_alrm;
     sigemptyset(&new.sa_mask);
     new.sa_flags=0;
     sigaction(SIGALRM,&new,&old);  
     //注册信号处理函数，第二个参数代表修改该信号的处理动作，第三个代表原来信号的处理动作。
     alarm(seconds);  //设置闹钟
     pause();  //挂起当前进程进行等待，直到有信号递达。
     unslept=alarm(0);  //关闭闹钟，返回0。当挂起提起结束时，返回剩下的时间。
     sigaction(SIGALRM,&old,NULL);  //恢复默认信号处理动作
     return unslept;
 }

int main()
{
     while(1){
         int k=mysleep(5);
         printf("5 seconds passed\n");
         printf("%d\n",k);
     }
     return 0;
}

注意事项
1）在mysleep函数返回前应该恢复默认信号处理动作，因为调度函数是不可以影响别人的。
2）缺陷：在设置闹钟alarm的时候，由于可能发生异步操作（有更高的优先级进程），系统先去执行了其他进程，没有先去执行pause。所以有可能alarm已经过去五秒就结束了然后信号递达，可它此时才挂起等待，所以永远等不到信号。要解决这个问题，就可以先屏蔽这个信号，在解除屏蔽的那一瞬间，立刻去执行pause，前提是，这个屏蔽信号与解除信号操作必须合并为一个原子操作，下文有相关函数可以解决这个问题。

四、有关知识点

1.可重入函数
　　1）如果一个函数只访问自己的局部变量或参数，就称为可重入函数。简单来说就是可以被中断的函数。
　　2）不可重入函数因为使用了一些系统资源，比如全局变量区，中断向量表等，所以它如果被中断的话，可能会出现问题，这类函数是不能运行在多任务环境下的。
2.不可重入实例
　　在信号的捕捉中，假设有一个主控制流程正在调用一个链表插入结点函数，当代码执行到了一半，刚把新节点N1插入，还没有连接，结果受到中断返回内核态，内核处理异常，处理后准备返回，先去处理当前进程可以处理的递达信号，返回用户态去执行自定义函数，自定义函数又调用了这个插入函数将N2插入，执行完毕后，又调用systemreturn返回内核态执行，最后返回用户区。结果最后只有N1插入了。这种函数就称为不可重入函数。
3.分析
　　造成这种现象，是因为这个插入函数是访问的一个全局链表，因为重入而造成的错乱。根本原因在于，这个插入函数代码不是一个原子操作，它是分成两步来执行。可就算代码是一行，它也不是原子操作，读者可以自行去查看给一个整型变量a的反汇编过程，如int a=10;它还是分两步完成。往后我们就可以去了解怎样去实现原子操作，从而避免不可重入函数错乱。
4.不可重入的条件
1）调用了malloc和free函数。使用全局链表来管理的。
2）调用了标准的I/O库函数。使用了全局数据结构。
5.注意事项
1）编写可重入函数时，若使用全局变量，则应通过关中断、信号量（即P、V操作）等手段对其加以保护。
2）若对所使用的全局变量不加以保护，则此函数就不具有可重入性，即当多个进程调用此函数时，很有可能使有关全局变量变为不可知状态。

五、竞态条件与SIGCHLD信号

1.竞态条件
因为时序问题而导致错误，叫做竞态条件。比如在执行alarm（seconds）时，虽然紧接着下一行代码是挂起等待函数pause，但是系统不一定就先执行它，这就会引发时序问题。所以在对时序严格要求的情况下，可以调用sigsuspend而不是pause。
2.SIGCHLD
1）由来
在子进程终止时，其实会给父进程发送一个SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略。
2）僵尸进程
为了解决僵尸进程，我们提供了wait和waitpid函数，父进程可以阻塞等待子进程结束，但这样父进程就没法工作了；还可以采用轮询的方式，就是父进程一边干活，一边询问子进程的状态，这种程序实现复杂。
3）更好的解决僵尸问题
利用好这个SIGCHLD信号，自定义函数操作，里面可以执行wait函数操作，这样父进程就可以安心工作，不必关心子进程了。当子进程退出时，收到SIGCHLD信号，自动捕捉信号。

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