UNIX信号(signal)编程 - UNIX高级环境编程第10章读书笔记

其他章节

使用pthread库进行多线程编程1 - UNIX环境高级编程第11章读书笔记
使用pthread库进行多线程编程2 - UNIX高级环境编程第12章读书笔记

10 Signals

1 Introduction & Concepts

Signals是一种软件中断，通知程序某种事件的发生。常见的Signal有SIGABRT（当进程调用abort函数的时候自动发送）, SIGALRM（当timer被触发的时候自动发送），等等。
下面的情况可以产生Signal：
1. 按下CTRL+C产生SIGINT
2. 硬件中断，如除0，非法内存访问（SIGSEV）等等
3. Kill函数可以对进程发送Signal
4. Kill命令。实际上是对Kill函数的一个包装
5. 软件中断。如当Alarm Clock超时（SIGURG），当Reader中止之后又向管道写数据（SIGPIPE），等等
当Signal发生的时候，可以有三种选择（称之为Disposition of the signal或者Action associated with a signal）
1. 忽略Signal。大部分Signal都可以Ignore，除了SIGKILL和SIGSTOP，这是为了提供一个确定的方法来Stop或者Kill一个Process。此外，如果我们忽略部分硬件异常产生的Signal，进程的行为未定义。
2. 捕捉Signal。可以让内核来调用我们所指定的函数。SIGKILL和SIGSTOP无法捕捉。
3. 执行缺省行为。如果不做任何处理，则执行缺省动作。大部分Signal的缺省行为都是中止进程。
部分Signal的缺省行为不仅中止进程，同时还会产生core dump，也就是生成一个名为core的文件，其中保存了退出时进程内存的镜像，可以用来调试。在下面情况，不会生成core文件：
1. 当前进程不属于当前user
2. 当前进程不属于当前group
3. 用户在当前目录下无写权限
4. Core文件已存在，用户无写权限
5. 文件过大，超过RLIMIT_CORE

2 Signals

Signal	Description
SIGABRT	由调用abort函数产生，进程非正常退出
SIGALRM	用alarm函数设置的timer超时或setitimer函数设置的interval timer超时
SIGBUS	某种特定的硬件异常，通常由内存访问引起
SIGCANCEL	由Solaris Thread Library内部使用，通常不会使用
SIGCHLD	进程Terminate或Stop的时候，SIGCHLD会发送给它的父进程。缺省情况下该Signal会被忽略
SIGCONT	当被stop的进程恢复运行的时候，自动发送
SIGEMT	和实现相关的硬件异常
SIGFPE	数学相关的异常，如被0除，浮点溢出，等等
SIGFREEZE	Solaris专用，Hiberate或者Suspended时候发送
SIGHUP	发送给具有Terminal的Controlling Process，当terminal被disconnect时候发送
SIGILL	非法指令异常
SIGINFO	BSD signal。由Status Key产生，通常是CTRL+T。发送给所有Foreground Group的进程
SIGINT	由Interrupt Key产生，通常是CTRL+C或者DELETE。发送给所有ForeGround Group的进程
SIGIO	异步IO事件
SIGIOT	实现相关的硬件异常，一般对应SIGABRT
SIGKILL	无法处理和忽略。中止某个进程
SIGLWP	由Solaris Thread Libray内部使用
SIGPIPE	在reader中止之后写Pipe的时候发送
SIGPOLL	当某个事件发送给Pollable Device的时候发送
SIGPROF	Setitimer指定的Profiling Interval Timer所产生
SIGPWR	和系统相关。和UPS相关。
SIGQUIT	输入Quit Key的时候（CTRL+/）发送给所有Foreground Group的进程
SIGSEGV	非法内存访问
SIGSTKFLT	Linux专用，数学协处理器的栈异常
SIGSTOP	中止进程。无法处理和忽略。
SIGSYS	非法系统调用
SIGTERM	请求中止进程，kill命令缺省发送
SIGTHAW	Solaris专用，从Suspend恢复时候发送
SIGTRAP	实现相关的硬件异常。一般是调试异常
SIGTSTP	Suspend Key，一般是Ctrl+Z。发送给所有Foreground Group的进程
SIGTTIN	当Background Group的进程尝试读取Terminal的时候发送
SIGTTOU	当Background Group的进程尝试写Terminal的时候发送
SIGURG	当out-of-band data接收的时候可能发送
SIGUSR1	用户自定义signal 1
SIGUSR2	用户自定义signal 2
SIGVTALRM	setitimer函数设置的Virtual Interval Timer超时的时候
SIGWAITING	Solaris Thread Library内部实现专用
SIGWINCH	当Terminal的窗口大小改变的时候，发送给Foreground Group的所有进程
SIGXCPU	当CPU时间限制超时的时候
SIGXFSZ	进程超过文件大小限制
SIGXRES	Solaris专用，进程超过资源限制的时候发送

3 Signal Function

#include <signal.h> Void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int); 返回之前的signal处理函数，错误返回SIG_ERR

1. Signo：signal的名称
2. Func：函数地址，或者是SIG_IGN（忽略Signal）或SIG_DFL（缺省行为）。原型为：void (*)(int)。不过很多UNIX的实现也会传入一些和实现相关的参数
如果用exec创建子进程，那么子进程的所有Signal状态是缺省或者忽略：
1. 如果父进程忽略了某个Signal，那么父进程用exec创建子进程时子进程的这个Signal的状态也是忽略
2. 如果在父进程的某个Signal注册了Signal处理函数的话，那么这个子进程的该Signal的状态会恢复成缺省状态，因为注册的函数地址肯定在另外一个进程中无法调用。
如果用fork创建子进程，那么子进程会继承所有父进程的Signal状态。

4 Unreliable Signals

早期的UNIX系统的Signal是不稳定的：
1. Signal可能会Lost
2. 在signal处理函数中，需要重复注册signal，否则下次收不到signal
3. 不支持pending signal

5 Interrupted System Calls

1. 早期UNIX中，一个进程在调用系统调用被阻赛的时候， 有可能被一个Signal中断。此时系统调用返回错误并且errno被设置为EINTR。
2. 系统调用也被分为两类：slow和一般。slow系统调用是那些可能永远block的系统调用（disk IO是例外，一般情况下只会暂时Block，但也归入Slow一类）
3. 为了处理这个问题，在早期UNIX系统中对于这些系统调用需要作额外的检查和判断，如果错误并且errno=EINTR，需要重新调用
4. Free BSD 4.2对于部分系统调用ioctl, read, readv, write, writev, wait实现了自动重新恢复功能，也就是当函数被中断的时候会自动恢复到原来的执行情况
5. Free BSD 5.2.1, Linux 2.4.22, Mac OS X 10.3支持此功能，但POSIX.1不作强制要求

6 Reentrant Functions

在Signal处理函数中，有可能在执行某个函数的时候，signal产生并调用了signal处理函数，然后再signal处理函数中再次调用了此函数，如果此函数调用了malloc/free，或者使用了static变量等技巧，会造成此函数不可再次被调用，此函数就是不可重入，反之就是可以重入的。UNIX标准定义了一个表，表中的函数都是可重入的。

7 Reliable Signal Terminology and Semantics

1. 在一个Signal被Generate之后，而被Deliver之前，该Signal称为正处于pending状态
2. 进程可以Block某个Signal。如果某个被Block的signal产生的话，该signal一直会处于pending状态，直到进程
a. Unblock这个Signal
b. 改变Signal的状态为Ignore
3. 如果一个被Block的Signal产生多次，POSIX.1允许deliver该signal一次或者多次
4. 每个进程有一个signal mask，表示那些signal被Block，那些被允许
5. sigset_t用来表示多种signal的集合

8 kill and raise Functions

Kill函数对某个进程发送signal，而raise对本进程发送signal：

#include <signal.h> int kill(pit_t pid, int signo); int raise(int signo) 成功返回0，错误返回-1

对于pid可以有4种可能性：
1. pid > 0：发送给某个进程
2. pid == 0：发送给所有group ID=当前发送进程的group id，并且有权限发送。注意部分系统进程（具体是那些的话和具体实现相关）不包括在内
3. pid < 0：发送给所有group ID= abs(pid)的进程，不包括部分系统进程
4. pid == -1：发送给所有有权限发送signal的进程，不包括部分系统进程
顺便说一句，我认为这个design不太好，最好设计成四个不同函数。
Superuser可以发送signal给任何进程，而对于一般用户来说，发送者的user id必须等于接收者的user id
如果signo=0，则是告诉kill函数检查该进程是否存在。如果不存在，则返回错误-1，errno设置为ESRCH。

9 alarm and pause Functions

Alarm函数设置一个timer，到固定时间之后会expire，发送一个SIGALRM signal：

#include <signal.h> unsigned int alarm(unsigned int second); 返回前一个alarm的剩余时间值，单位为秒

SIGALRM的缺省行为是中止进程。同一个进程只能有一个alarm。调用alarm函数会取消前一个alarm，并返回前一个alarm的剩余时间。如果second值为0，则只是取消前一个alarm。

Pause函数暂停当前进程的运行，直到某个signal被catch：

#include <signal.h> int pause(void); 总是返回-1，errno总是设置为EINTR

10 signal sets

多个signal的集合用signal set表示，类型为sigset_t，下面函数用于操作sigset_t：

#include <signal.h> int sigemptyset(sigset_t *set); int sigfillset(sigset_t *set); int sigaddset(sigset_t *set, int signo); int sigdelset(sigset_t *set, int signo); 成功返回0，错误返回-1 int sigismember(sigset_t *set, int signo); 返回1如果是，不是则返回0

1. sigemptyset：初始化sigset_t，所有signal都不包括在内
2. sigfillset：初始化sigset_t，包括所有signal
3. sigaddset, sigdelset：添加/删除signal
4. sigismember：检查signal set中是否包括该signal

11 sigprocmask Function

sigprocmask函数设置进程的signal mask，可以block/unblock signal：

#include <signal.h> int sigprocmask(int how, const sigset_t *restrict set, sig_set *restrict oset); 成功返回0，错误返回-1

1. how参数的意义如下：

How	Description
SIG_BLOCK	在原来的mask基础上Block signal set
SIG_UNBLOCK	在原来的mask基础上Unblock signal set
SIG_SETMASK	设置mask为指定的signal set

2. set：signal set，如果=NULL则忽略how参数（again，又是一个不太合适的设计，不利于差错和记忆）
3. oset：返回当前process的signal mask

12 sigpending Function

Sigpending函数返回当前被block而没有deliver的signal的集合：

#include <signal.h> int sigpending(sigset_t *set); 成功返回0，错误返回-1

13 sigaction Function

sigaction用于修改或者获取某个signal所对应的action。Sigaction可以取代Signal函数，实际上，signal函数可以用sigaction函数来实现。。sigaction函数原型如下：

#include <signal.h> int sigaction(int signo, const struct sigaction *restrict act, struct sigaction *restrict oact); 成功返回0，错误返回-1

1. signo：signal
2. act：对应的action
3. oact：之前的action，可以为NULL
sigaction如下：

struct sigaction { void (*sa_handler)(int); sigset_t sa_mask; int sa_flags; void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *) };

1. sa_handler：signal处理函数
2. sa_mask：当signal函数被调用的时候，自动block这些signal。当signal处理函数返回的时候，mask会恢复到初始值。同时，操作系统也会自动把该signal加到mask中，防止重入
3. sa_flags：定义如下：

Option	Description
SA_INTERRUPT	被该signal中断的系统调用不会自动重启
SA_NOCLDSTOP	如果signo是SIGCHLD，当子进程stop的时候不产生该signal
SA_NOCLDWAIT	如果signo是SIGCHLD，子进程不会变成zombie。当调用wait的时候，调用进程会一直等待直到所有子进程结束
SA_NODEFER	在signal处理函数中系统不会自动block该signal
SA_ONSTACK	如果调用了sigaltstack指定一个额外的stack，那么该signal发送的时候，进程处于此stack中
SA_RESETHAND	恢复为初始化值，SA_SIGINFO flag也会被清除
SA_RESTART	被该signal中断的系统调用会自动重启
SA_SIGINFO	为signal处理函数提供额外信息

4. sa_sigaction：当sa_flags为SA_SIGINFO时，signal处理函数为sa_sigaction，接收额外两个参数：siginfo_t和void *
siginfo_t表示该signal为何产生：

struct siginfo_t { int si_signo; /* signal */ int si_errno; /* errrno */ int si_code; /* 额外信息，和具体signal相关 */ pid_t si_pid; /* 发送signal进程的pid */ uid_t si_uid; /* 发送signal的进程的uid */ void *si_addr; /* 产生fault(SIG_SEGV)的地址 */ int si_status; /* 退出值或者signal数值 */ long si_band; /* SIGPOLL的band数值 */ };

而void *则应该被转换成ucontext_t结构，表示当signal产生时候的进程上下文信息

14 sigsetjmp and siglongjmp Functions

1. setjmp,longjmp的函数的作用是，setjmp记住位置，然后longjmp可以自动跳转到该位置，并且从setjmp函数返回
2. 当调用signal处理函数的时候，该signal会自动被block，如果这个时候我们调用longjmp跳出signal处理函数，那么signal还会被Block吗？答案是不确定，和具体实现相关
3. 为了解决这个问题，系统提供了sigsetjmp和siglongjmp。区别在于，如果sigsetjmp的savemask为非0，则sigsetjmp会在env参数中记住当前process的signal mask。一般情况下如果和signal打交道的话都需要调用这两个函数。这两个函数原型如下：

#include <signal.h> int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savemask); 直接调用返回0，从siglongjmp返回的时候返回非0 void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val);

15 sigsuspend Function

Sigsuspend函数可以在一个原子操作内设置mask然后pause，防止设置mask之后pause之前，signal handler被调用，进程永远等待。原型如下：

#include <signal.h> int sigsuspend(sigset_t *sig); 总是返回-1，errno设置为EINTR

16 abort Function

Abort函数等价于raise (SIGABRT)。注意就算是signal处理函数处理了SIGABRT，进程仍然会结束。

17 system Function

System函数除了会执行可执行文件创建子进程之外，还会设置sigmask为忽略SIGINT，SIGQUIT并Block SIGCHLD。
1. 忽略SIGINT和SIGQUIT的原因是，只有子进程应该处理这两个signal，而父进程无需处理
2. Block SIGCHLD的原因是，System函数需要知道子进程的结束，而父进程不应该先提前知道，以免提前调用wait函数使得System函数本身无法获得进程的退出值

18 sleep Function

Sleep函数可以sleep某段时间，精确性无法保证。进程睡眠指定时间，直到时间到或者signal产生并被handler处理。注意sleep可能会由alarm函数实现，所以把alarm函数和sleep函数混着使用可能会造成无法预料的结果。

19 Job-Control Signals

SIGCHLD, SIGCONT, SIGSTOP, SITTSTP, SIGTTIN, SITTOU被认为是和Job Control有关的signal。大部分情况下，程序无需处理这些signal，除了SIGCHLD之外。

20 Additional Features

有些系统提供sys_siglist数组，保存着每个signal对应的字符串描述。

extern char *sys_siglist[];

很多系统提供psignal函数输出一个msg + ‘: ’ + signal string

#include <signal.h> void psignal(int四个，const char *msg);

另一个常用函数是strsignal，返回signo对应的描述

#include <string.h> char *strsignal(int signo); 返回对应的描述

Solaris提供把signal和名称对应起来的函数：

#include <string.h> int *sig2str(int signo, char *str); int str2sig(const char *str, int *signop); 返回对应的描述

Sig2str把signal转换为对应的描述字符串，而str2sig则是将描述字符串转换为signal。