Linux系统编程---信号(一)

  • 开发
  • 14

一、信号的概念

1.信号的概念和机制

信号共性：

        简单、不能携带大量信息、满足条件才发送。

信号的特质：

        信号是软件层面上的“中断”。一旦信号产生，无论程序执行到什么位置，必须立即停止运行，处理信号，处理结束，再继续执行后续指令。

所有信号的产生及处理全部都是由【内核】完成的。

2.与信号相关的事件和状态

产生信号：

  1. 按键产生：如 Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\
  2. 系统调用产生：如 kill、raise、abort
  3. 软件条件产生：如 定时器alarm
  4. 硬件异常产生：如 非法访问内存、内存对齐出错
  5. 命令产生：如 kill命令

递达：递送并且到达进程

未决：产生和递达之间的状态，主要由于阻塞导致该状态

信号的处理方式：

  1. 执行默认动作
  2. 忽略(丢弃)
  3. 捕捉/自定义(调用户处理函数)

执行默认动作的五种形式：

Term：终止进程

Ign： 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)

Core：终止进程，生成Core文件。(查验进程死亡原因， 用于gdb调试)

Stop：停止（暂停）进程

Cont：继续运行进程

阻塞信号集(信号屏蔽字)：

将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽x信号后，再收到该信号，该信号的处理将推后(解除屏蔽后)。

本质：位图，用来记录信号的屏蔽状态。一旦被屏蔽的信号，再解除屏蔽前 一直处于未决态 

未决信号集：

1.信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1，表信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻转回为o。这一时刻往往非常短暂。
2.信号产生后由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态。

本质：位图，用来记录信号的处理状态。该信号集中的信号，表示已经产生，但尚未被处理

3.信号四要素：

1. 编号         2. 名称         3. 对应事件         4. 默认处理动作

信号使用之前，应先确定其4要素，而后再用！！！

kill -l        查看当前系统中常规信号 

常用信号一览表：

1) SIGHUP: 当用户退出shell时，由该shell启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程
2) SIGINT：当用户按下了<Ctrl+C>组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
3) SIGQUIT：当用户按下<ctrl+\>组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信号。默认动作为终止进程。
4) SIGILL：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件
5) SIGTRAP：该信号由断点指令或其他 trap指令产生。默认动作为终止里程 并产生core文件。
6) SIGABRT: 调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
7) SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生core件。
8) SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
9) SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了可以杀死任何进程的方法。
10) SIGUSR1：用户定义 的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
11) SIGSEGV：指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生core文件。
12) SIGUSR2：另外一个用户自定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
13) SIGPIPE：Broken pipe向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。

14) SIGALRM: 定时器超时，超时的时间 由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。

15) SIGTERM：程序结束信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。执行shell命令Kill时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。

16) SIGSTKFLT：Linux早期版本出现的信号，现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。

17) SIGCHLD：子进程状态发生变化时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。

18) SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。

19) SIGSTOP：停止进程的执行。信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为暂停进程。

20) SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。按下<ctrl+z>组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。

二、kill函数

int kill(pid_t pid, int sig)

给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

参数：

        pid：> 0：发送信号给指定进程

                = 0：发送信号给跟调用kill函数的那个进程处于同一进程组的进程。

                < -1：取绝对值，发送信号给该绝对值所对应的进程组的所有组员。

                = -1：发送信号给，有权限发送的所有进程。

        signum：待发送的信号

返回值：

        成功： 0

        失败： -1 errno

子进程发送信号kill父进程： 

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>
#include<signal.h>

void sys_err(const char *str)
{
        perror(str);
        exit(1);
}

int main(int argc,char *argv[])
{
        pid_t pid = fork();
        if (pid > 0)
        {
                printf("patent,pid = %d\n",getpid());
                while(1);
        }
        else if(pid == 0)
        {
                printf("child pid = %d,ppid = %d\n",getpid(),getppid());
                sleep(2);
                kill(getppid(),SIGKILL);
        }

        return 0;
}

让父进程进入死循环，子进程睡2秒(确保父进程先执行)，然后在子进程中使用kill杀死父进程

make之后执行得到以下输出：

patent,pid = 1728043
child pid = 1728044,ppid = 1728043
Killed

kill -9 10698：杀死PID为10698的这个进程

kill -9 -10698：杀死进程组为10698的所有进程

三、alarm函数：使用自然计时法

unsigned int alarm(unsigned int seconds)

参数：

        seconds：定时秒数

返回值：

        上次定时剩余时间。

        无错误现象。

alarm(0)：取消闹钟。

定时发送SIGALRM给当前进程，每个进程都有唯一的闹钟 

使用alarm函数计时，打印变量i的值：

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

int main(void)
{
        int i;
        alarm(1);

        for (i = 0;;i++)
        {
                printf("%d\n",i);
        }

        return 0;
}

time 命令 ： 查看程序执行时间。 实际时间 = 用户时间 + 内核时间 + 等待时间。

time ./alarm

程序运行的瓶颈在于IO，优化程序，首选优化lO。

 time ./alarm > out

四、setitimer函数：设置闹钟，可以替代alarm函数，精度微秒us，可以实现周期定时

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

参数：

        which：ITIMER_REAL： 采用自然计时。 ——> SIGALRM

        ITIMER_VIRTUAL: 采用用户空间计时 ——> SIGVTALRM

        ITIMER_PROF: 采用内核+用户空间计时 ——> SIGPROF

        new_value：定时秒数

        old_value：传出参数，上次定时剩余时间。

返回值：

        成功： 0

        失败： -1 errno

类型：

struct itimerval{

        struct timeval{

                time_t  tv_sec;         /* seconds */

                suseconds_t  tv_usec;         /* microseconds */

        }it_interval;---> 用于设定两个定时任务之间的间隔时间

        struct timeval{

                time_t  tv_sec;

                suseconds_t  tv_usec;

        }it_value; ---> 第一次定时秒数

};

可以理解为有2个定时器

  • 一个用于第一个闹钟什么时候触发打印
  • 一个用于之后间隔多少时间再次触发闹钟。

使用setitimer定时，向屏幕打印信息：

#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<signal.h>

void myfunc(int signo)
{
        printf("hello world\n");
}

int main()
{
        struct itimerval it,oldit;
        
        signal(SIGALRM,myfunc);//注册SIGALRM信号的捕捉处理函数
        it.it_value.tv_sec = 2;
        it.it_value.tv_usec = 0;
        
        it.it_interval.tv_sec = 5;
        it.it_interval.tv_usec = 0;

        if (setitimer(ITIMER_REAL,&it,&oldit) ==-1)
        {
                perror("setitimer error");
                return -1;
        }

        while(1);

        return 0;
}

输出：第一次信息打印是两秒间隔，之后都是5秒间隔打印一次

五、信号集操作函数

1. 信号集set函数

sigset_t set;自定义信号集。

sigemptyset(sigset_t *set);清空信号集

sigfillset(sigset_t *set);全部置1

sigaddset(sigset_t *set, int signum);将一个信号添加到集合中

sigdelset(sigset_t *set, int signum);将一个信号从集合中移除

sigismember（const sigset_t *set，int signum);

判断一个信号是否在集合中。 在-->1， 不在-->0

2. sigprocmask函数

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

设置信号屏蔽字和解除屏蔽

参数：

        how：SIG_BLOCK: 设置阻塞（与）

        SIG_UNBLOCK：取消阻塞（取反位与）

        SIG_SETMASK：用自定义set替换mask。（不推荐）

set：自定义set

oldset：旧有的 mask。        

3. sigpending函数

int sigpending(sigset_t *set);

读取未决信号集

参数：

        set：传出的未决信号集。

 信号操作函数使用原理分析：

 利用自定义集合，来设置信号阻塞，输入被设置阻塞的信号，可以看到未决信号集发生变化 

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>

void print_set(sigset_t *set)
{
    int i;

    for(i=1; i<32; i++) {
        if(sigismember(set,i))
            putchar('1');
        else
            putchar('0');
    }

    printf("\n");
}


int main(void)
{
//1. 定义自己的信号集
    sigset_t set, oldset, pedset;

    sigemptyset(&set); //清空信号集
    sigaddset(&set,SIGINT);//将2号信号(Ctrl C)加入信号集内

//2. 将系统的信号集替换为自己的
    int ret = sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset); //SIG_BLOCK设为阻塞
    if(ret == -1)
    {
        perror("sigprocmask error");
        exit(1);
    }

//3. 查看未决信号集的状态
    while(1) {
        ret = sigpending(&pedset); //这个函数会传出状态，用pedset接收
        if(ret == -1)
        {
            perror("sigpending error");
            exit(1);
        }
        print_set(&pedset); //调用上面的函数 查看是否在信号集中
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

代码解释：

  1. 定义自己的信号集set；
  2. 清空信号集，使用sigaddset()加指定的信号加入信号集内
  3. 使用sigprocmask()将系统的信号集替换为自己的，它的第一个参数是设置条件(阻塞，取消阻塞)
  4. 使用sigpending()查看未决信号集
  5. 封装一个sigismember函数，来打印sigpending传出的信号集
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