【Linux】第三十七站：信号保存

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一、信号发送

如下所示，对于普通信号，它的编号是从1~31。这个是比较像一个int的大小的

image-20240126182909121

对于普通信号而言，对于进程而言。关心的是自己有还是没有信号，收到的是哪一个信号。

这个是给进程的PCB发的

也就是说里面有这样一个字段

task_struct{
   
	int signal; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
}

如果给进程发的是一号信号，那么则将第一位给置为1。（注意这里有第0位）

如果是二号信号，则将第二位置为1即可。

所以描述一个信号，用比特位的位置来表示，即普通信号是用位图来管理信号

即：

  1. 比特位的内容是0还是1，表明是否收到
  2. 比特位的位置（第几个），表示信号的编号
  3. 所谓的“发信号”，本质就是OS去修改task_struct的信号位图对应的比特位。也就是写信号

为什么必须是OS去写呢？

因为OS是进程的管理者，只有它有资格才能修改task_struct内部的属性

为什么操作系统不直接把这个进程干掉，而要先给个信号？先修改下位图？

因为底层并不清楚上层在做什么。如果上层的一些收尾工作，没有被处理，就出问题了。

二、信号保存

1.为什么要进行信号保存？

进程收到信号之后，可能不会立即处理这个信号。

信号不会被处理，就要有一个时间窗口。

对于普通信号，它用的是位图，只要收到就会先保存，但是如果这个信号还没处理，就又来个信号。那么就只记得最近一次的信号。

而对于实时信号。

只要发送了，就要立即处理，哪怕此时进程在忙。它的用的是双向链表。

三、阻塞信号

1.信号的一些相关概念

  • 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，在位图当中保存着，还没有被处理。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

如下图所示

image-20240126191746658

进程PCB中有三张表，两个位图和一个函数指针表

对于block表，它表示的是如果是1，该信号是被阻塞的，0没有被阻塞。

这个pending表里面就是前面所提到的，信号保存的表。发送信号后，就会修改这张表，即表示是否收到信号。

信号的范围是[1,31]，每一种信号都要有自己的一种处理方法。这个handler就是指向一个一个的信号处理的方法。系统里面也有默认的方法，用户也可以给他提供一个方法。修改该数组下标的内容。也就是用signal去修改

image-20240126192156904

image-20240126193004387

  • 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。我们不讨论实时信号
  • 对于信号它的一切操作都离不开这三张表

如果我们要操作这两张位图，我们从技术角度可以直接用位运算来实现。

当然操作系统会直接提供一些接口。

让我们弄一张位图，然后带进去，带出去即可

不过，系统害怕我们的位图可能被扩展了等等问题，所以操作系统专门提供了一个位图类型。

对于这个函数指针表，我们需要了解一下SIG_IGN和SIG_DFL

image-20240126201817543

image-20240126201839067

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

using namespace std;

int main()
{
    
signal(2, SIG_IGN);
while(1)
{
    
  cout << "hello signal" << endl;
  sleep(1);
}
return 0;
}

运行结果为

image-20240126202026027

如果是默认的

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

using namespace std;

int main()
{
    
signal(2, SIG_DFL);
while(1)
{
    
  cout << "hello signal" << endl;
  sleep(1);
}
return 0;
}

运行结果为

image-20240126202130729

正常终止了

3.sigset_t

每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,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,而在未决信号集中“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

#include <signal.h>
//初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含任何有效信号。
int sigemptyset(sigset_t *set);
//初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置位,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
int sigfillset(sigset_t *set);
//使得set信号集中的signo信号置位
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
//使得set信号集中的signo信号清零
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
//判断set中是否有signo信号，若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);
  • **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变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。 **
  • **前四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号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。 **

5.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 <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
//返回值:若成功则为0,若出错则为-1
//第二个是输入型参数，第三个是输出型参数

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

对于how参数，有以下三个选项。

image-20240126204244128

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

6.sigpending

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
//读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。

我们接下来先用下面的样例

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

using namespace std;
void PrintPending(const sigset_t& pending)
{
   
    for(int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
   
        cout << sigismember(&pending, signo);
    }
    cout << endl << endl;
}

int main()
{
   
    //1.先对2号信号进行屏蔽
    sigset_t bset, oset;
    sigemptyset(&bset);
    sigaddset(&bset, 2);  //此时还没有设置进入到进程的task_struct

    //调用系统调用，将数据设置进内核
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oset);//屏蔽了2号信号了

    //2.重复打印当前进程的pending 000000000000000
    //发送2号信号， 变为00000000000000010
    
    sigset_t pending;
    while(true)
    {
   
        //获取
        int n = sigpending(&pending);
        //打印
        if(n < 0) continue;
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

这个代码的功能是屏蔽2号信号，然后我们重复打印pending表。运行结果如下所示。

image-20240126211941298

我们再看一下下面的代码

这段代码在上面的基础上加了解除屏蔽2号信号

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

using namespace std;
void PrintPending(const sigset_t& pending)
{
   
    for(int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
   
        cout << sigismember(&pending, signo);
    }
    cout << endl << endl;
}
void handler(int signo)
{
   
    cout << "catch a signo:" << signo << endl;
    //exit(1);
}
int main()
{
   
    signal(2, handler);

    //1.先对2号信号进行屏蔽
    sigset_t bset, oset;
    sigemptyset(&bset);
    sigaddset(&bset, 2);  //此时还没有设置进入到进程的task_struct

    //调用系统调用，将数据设置进内核
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oset);//屏蔽了2号信号了

    //2.重复打印当前进程的pending 000000000000000
    //发送2号信号， 变为00000000000000010
    
    sigset_t pending;
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
   
        //获取
        int n = sigpending(&pending);
        //打印
        if(n < 0) continue;
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
        cnt++;
        //解除屏蔽
        if(cnt == 20)
        {
   
            cout << "unblock 2 signo" << endl;
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
        }
    }

    return 0;
}

运行结果为

image-20240126212909115

如果将所有的信号全部屏蔽掉，那是不是信号就不会被处理了？

我们能想到的，操作系统肯定考虑到了，肯定有一些信号是无法被屏蔽的。

9号和19号不可被屏蔽，也不可被捕捉

我们可以用下面代码来验

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

using namespace std;
void PrintPending(const sigset_t& pending)
{
   
    for(int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
   
        cout << sigismember(&pending, signo);
    }
    cout << endl << endl;
}
void handler(int signo)
{
   
    cout << "catch a signo:" << signo << endl;
    //exit(1);
}

int main()
{
   
    sigset_t bset, oset;
    sigemptyset(&bset);
    sigemptyset(&oset);

    for(int i = 1; i <= 31; i++)
    {
   
        sigaddset(&bset, i);
    }
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oset);
    sigset_t pending;
    while(true)
    {
   
        int n = sigpending(&pending);
        if(n < 0) continue;
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
    }
}

下面是部分验证结果，其余可自行验证

image-20240126214602217

7. 总结

我们可以用下图来总结我们前面的关系

image-20240126215152805

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