详解Linux Signal机制

Signal机制在Linux中是一个非常常用的进程间通信机制，很多人在使用的时候不会考虑该机制是具体如何实现的。signal机制可以被理解成进程的软中断，因此，在实时性方面还是相对比较高的，本篇文章重点为大家讲解一下Linux Signal处理机制

信号概述

1. 信号的名字和编号： 每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以“SIG”开头，例如“SIGIO ”、“SIGCHLD”等等。 信号定义在signal.h头文件中，信号名都定义为正整数。 具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号，信号是从1开始编号的，不存在0号信号。kill对于信号0又特殊的应用。

   

   信号的名称

2. 信号的处理： 信号的处理有三种方法，分别是：忽略、捕捉和默认动作

• 忽略信号，大多数信号可以使用这个方式来处理，但是有两种信号不能被忽略（分别是 SIGKILL和SIGSTOP）。因为他们向内核和超级用户提供了进程终止和停止的可靠方法，如果忽略了，那么这个进程就变成了没人能管理的的进程，显然是内核设计者不希望看到的场景
• 捕捉信号，需要告诉内核，用户希望如何处理某一种信号，说白了就是写一个信号处理函数，然后将这个函数告诉内核。当该信号产生时，由内核来调用用户自定义的函数，以此来实现某种信号的处理。
• 系统默认动作，对于每个信号来说，系统都对应由默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行。不过，对系统来说，大部分的处理方式都比较粗暴，就是直接杀死该进程。 具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。在此，我就不详细展开了，需要查看的，可以自行查看。也可以参考 《UNIX 环境高级编程（第三部）》的 P251——P256中间对于每个信号有详细的说明。

了解了信号的概述，那么，信号是如何来使用呢？

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其实对于常用的 kill 命令就是一个发送信号的工具，kill 9 PID来杀死进程。比如，我在后台运行了一个 top 工具，通过 ps 命令可以查看他的 PID，通过 kill 9 来发送了一个终止进程的信号来结束了 top 进程。如果查看信号编号和名称，可以发现9对应的是 9) SIGKILL，正是杀死该进程的信号。而以下的执行过程实际也就是执行了9号信号的默认动作——杀死进程。

kill 杀死进程

对于信号来说，最大的意义不是为了杀死信号，而是实现一些异步通讯的手段，那么如何来自定义信号的处理函数呢？

信号处理函数的注册

信号处理函数的注册不只一种方法，分为入门版和高级版

1. 入门版：函数signal
2. 高级版：函数sigaction

信号处理发送函数

信号发送函数也不止一个，同样分为入门版和高级版 1.入门版：kill 2.高级版：sigqueue

信号注册函数——入门版

在正式开始了解这两个函数之前，可以先来思考一下，处理中断都需要处理什么问题。 按照我们之前思路来看，可以发送的信号类型是多种多样的，每种信号的处理可能不一定相同，那么，我们肯定需要知道到底发生了什么信号。 另外，虽然我们知道了系统发出来的是哪种信号，但是还有一点也很重要，就是系统产生了一个信号，是由谁来响应？ 如果系统通过 ctrl+c 产生了一个 SIGINT（中断信号），显然不是所有程序同时结束，那么，信号一定需要有一个接收者。对于处理信号的程序来说，接收者就是自己。

开始的时候，先来看看入门版本的信号注册函数，他的函数原型如下： signal 的函数原型

#include 
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

根据函数原型可以看出由两部分组成，一个是真实处理信号的函数，另一个是注册函数了。 对于sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);函数来说，signum 显然是信号的编号，handler 是中断函数的指针。 同样，typedef void (*sighandler_t)(int);中断函数的原型中，有一个参数是 int 类型，显然也是信号产生的类型，方便使用一个函数来处理多个信号。我们先来看看简单一个信号注册的代码示例吧。

#include
#include
#include 

//typedef void (*sighandler_t)(int);
void
handler(int signum)
{
   if(signum == SIGIO)
       printf("SIGIO   signal: %d\n", signum);
   else if(signum == SIGUSR1)
       printf("SIGUSR1   signal: %d\n", signum);
   else
       printf("error\n");
}

int
main(void)
{
   //sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
   signal(SIGIO, handler);
   signal(SIGUSR1, handler);
   printf("%d  %d\n", SIGIO, SIGUSR1);
   for(;;)
   {
       sleep(10000);
   }
   return 0;
}

我们先使用 kill 命令发送信号给之前所写的程序，关于这个命令，我们后面再谈。

通过 kill 命令发送信号

程序接收到的信号的处理结果

简单的总结一下，我们通过 signal 函数注册一个信号处理函数，分别注册了两个信号（SIGIO 和 SIGUSER1）；随后主程序就一直“长眠”了。 通过 kill 命令发送信号之前，我们需要先查看到接收者，通过 ps 命令查看了之前所写的程序的 PID，通过 kill 函数来发送。 对于已注册的信号，使用 kill 发送都可以正常接收到，但是如果发送了未注册的信号，则会使得应用程序终止进程。

那么，已经可以设置信号处理函数了，信号的处理还有两种状态，分别是默认处理和忽略，这两种设置很简单，只需要将 handler 设置为 SIG_IGN（忽略信号）或 SIG_DFL（默认动作）即可。

在此还有两个问题需要说明一下：

1. 当执行一个程序时，所有信号的状态都是系统默认或者忽略状态的。除非是 调用exec进程忽略了某些信号。exec 函数将原先设置为要捕捉的信号都更改为默认动作，其他信号的状态则不会改变 。 2.当一个进程调动了 fork 函数，那么子进程会继承父进程的信号处理方式。

入门版的信号注册还是比较简单的，只需要一句注册和一个处理函数即可，那么，接下来看看，如何发送信号吧。

信号发送函数——入门版

kill 的函数原型

#include 
#include 
int kill(pid_t pid, int sig);

正如我之前所说的，信号的处理需要有接受者，显然发送者必须要知道发给谁，根据 kill 函数的远行可以看到，pid 就是接受者的 pid，sig 则是发送的信号的类型。从原型来看，发送信号要比接受信号还要简单些，那么我们直接上代码吧~~！Show me the code!!!

#include 
#include 
#include
#include 


int main(int argc, char** argv)
{
   if(3 != argc)
   {
       printf("[Arguments ERROR!]\n");
       printf("\tUsage:\n");
       printf("\t\t%s  \n", argv[0]);
       return -1;
   }
   int pid = atoi(argv[1]);
   int sig = atoi(argv[2]);
   //int kill(pid_t pid, int sig);
   if(pid > 0 && sig > 0)
   {
       kill(pid, sig);
   }
   else
   {
       printf("Target_PID or Signal_Number MUST bigger than 0!\n");
   }
   
   return 0;
}

发送信号

接收信号的结果

总结一下： 根据以上的结果可看到，基本可以实现了信号的发送，虽然不能直接发送信号名称，但是通过信号的编号，可以正常的给程序发送信号了，也是初步实现了信号的发送流程。

关于 kill 函数，还有一点需要额外说明，上面的程序限定了 pid 必须为大于0的正整数，其实 kill 函数传入的 pid 可以是小于等于0的整数。 pid > 0：将发送个该 pid 的进程 pid == 0：将会把信号发送给与发送进程属于同一进程组的所有进程，并且发送进程具有权限想这些进程发送信号。 pid

关于信号，还有更多的话题，比如，信号是否都能够准确的送达到目标进程呢？答案其实是不一定，那么这就有了可靠信号和不可靠信号

可靠信号和不可靠信号

不可靠信号：信号可能会丢失，一旦信号丢失了，进程并不能知道信号丢失 可靠信号：也是阻塞信号，当发送了一个阻塞信号，并且该信号的动作时系统默认动作或捕捉该信号，如果信号从发出以后会一直保持未决的状态，直到该进程对此信号解除了阻塞，或将对此信号的动作更改为忽略。 对于信号来说，信号编号小于等于31的信号都是不可靠信号，之后的信号为可卡信号，系统会根据有信号队列，将信号在递达之前进行阻塞。

信号的阻塞和未决是通过信号的状态字来管理的，该状态字是按位来管理信号的状态。每个信号都有独立的阻塞字，规定了当前要阻塞地达到该进程的信号集。

信号阻塞状态字（block），1代表阻塞、0代表不阻塞；信号未决状态字（pending）的1代表未决，0代表信号可以抵达了；它们都是每一个bit代表一个信号

• 阻塞和未决是如何工作的？ 比如向进程发送SIGINT信号，内核首先会判断该进程的信号阻塞状态字是否阻塞状态，如果该信号被设置为阻塞的状态，也就是阻塞状态字对应位为1，那么信号未决状态字（pending）相应位会被内核设置为1；如果该信号阻塞解除了，也就是阻塞状态字设置为了0，那么信号未决状态字（pending）相应位会被内核设置为0，表示信号此时可以抵达了，也就是可以接收该信号了。 阻塞状态字用户可以读写，未决状态字用户只能读，是由内核来设置表示信号递达状态的。 PS:这里额外说明以下，只有支持了 POSIX.1实时扩展的系统才支持排队的功能（也就阻塞状态下多次同一信号发送给某一进程可以得到多次，而不是一次）。
• 关于进程关于信号的阻塞状态字的设置 可以通过int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);函数来获取或者设置。

该函数管理信号，是通过信号集的数据结构来进行管理的，信号集可以通过以下的函数进行管理。 信号集操作函数（状态字表示）

#include 
      int sigemptyset(sigset_t *set);  //初始化 set 中传入的信号集，清空其中所有信号
      int sigfillset(sigset_t *set);  //把信号集填1，让 set 包含所有的信号
      int sigaddset(sigset_t *set, int signum);//把信号集对应位置为1
      int sigdelset(sigset_t *set, int signum);//吧信号集对应位置为0
      int sigismember(const sigset_t *set, int signum);//判断signal是否在信号集

对于信号集分配好内存空间，需要使用初始化函数来初始化。初始化完成后，可以在该集合中添加、删除特定的信号。 int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset); 其中 how 变量决定了是如何操作该状态字。 SIG_BLOCK：set包含了我们希望添加到当前信号阻塞字的信号，相当于mask=mask|set SIG_UNBLOCK：set包含了我们希望从当前信号阻塞字中解除阻塞的信号，相当于mask=mask&~set SIG_SETMASK：设置当前信号阻塞字为set所指的值，相当于mask=set

pending是由内核来根据block设置的，只可以读取其中的数据，来段判断信号是否会递达。通过设置block可以将希望阻塞的信号进行阻塞，对应的pending会由内核来设置

设置信号阻塞、未达的步骤：

1. 分配内存空间sigset sigset bset;
2. 置空sigemptyset(&bset);
3. 添加信号sigaddset(&bset, SIGINT);
4. 添加其他需要管理的信号….
5. 设置信号集中的信号处理方案（此处为解除阻塞）sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &bset, NULL);

• 简化版设置阻塞状态字

#include 
int sigpending(sigset_t *set);

这个函数使用很简单，对于调用他的进程来说，其中信号集中的信号是阻塞不能递送的，那么，也就一定会是当前未决的。

• 原子操作的信号阻塞字的恢复并进入休眠状态

#include 
int sigsuspend(const sigset_t *mask);

为何会出现原子性的解除阻塞的函数呢？ 因为，当信号被阻塞的时候，产生了信号，那么该信号的递送就要推迟到这个信号被解除了阻塞为止。如果此时，应用程序正好处在，解除 SIGINT 的阻塞和 pause 之间，那么此时，会产生问题，可能永远 pause 不能够等到SIGINT 信号来打断他，造成程序永久阻塞在 pause 处。 为了解决这个问题，，需要在一个原子性的操作来恢复信号的屏蔽字，然后才能让进程进入休眠状态，以保证不会出现上述的问题。

进程的信号屏蔽字设置为

信号注册函数——高级版

我们已经成功完成了信号的收发，那么为什么会有高级版出现呢？其实之前的信号存在一个问题就是，虽然发送和接收到了信号，可是总感觉少些什么，既然都已经把信号发送过去了，为何不能再携带一些数据呢？ 正是如此，我们需要另外的函数来通过信号传递的过程中，携带一些数据。咱么先来看看发送的函数吧。

sigaction 的函数原型

#include 
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {
  void       (*sa_handler)(int); //信号处理程序，不接受额外数据，SIG_IGN 为忽略，SIG_DFL 为默认动作
  void       (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理程序，能够接受额外数据和sigqueue配合使用
  sigset_t   sa_mask;//阻塞关键字的信号集，可以再调用捕捉函数之前，把信号添加到信号阻塞字，信号捕捉函数返回之前恢复为原先的值。
  int        sa_flags;//影响信号的行为SA_SIGINFO表示能够接受数据
};
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一

这个函数的原版帮助信息，可以通过man sigaction来查看。

sigaction 是一个系统调用，根据这个函数原型，我们不难看出，在函数原型中，第一个参数signum应该就是注册的信号的编号；第二个参数act如果不为空说明需要对该信号有新的配置；第三个参数oldact如果不为空，那么可以对之前的信号配置进行备份，以方便之后进行恢复。

在这里额外说一下struct sigaction结构体中的 sa_mask 成员，设置在其的信号集中的信号，会在捕捉函数调用前设置为阻塞，并在捕捉函数返回时恢复默认原有设置。这样的目的是，在调用信号处理函数时，就可以阻塞默写信号了。在信号处理函数被调用时，操作系统会建立新的信号阻塞字，包括正在被递送的信号。因此，可以保证在处理一个给定信号时，如果这个种信号再次发生，那么他会被阻塞到对之前一个信号的处理结束为止。

sigaction 的时效性：当对某一个信号设置了指定的动作的时候，那么，直到再次显式调用 sigaction并改变动作之前都会一直有效。

关于结构体中的 flag 属性的详细配置，在此不做详细的说明了，只说明其中一点。如果设置为 SA_SIGINFO 属性时，说明了信号处理程序带有附加信息，也就是会调用 sa_sigaction 这个函数指针所指向的信号处理函数。否则，系统会默认使用 sa_handler 所指向的信号处理函数。在此，还要特别说明一下，sa_sigaction 和 sa_handler 使用的是同一块内存空间，相当于 union，所以只能设置其中的一个，不能两个都同时设置。

关于void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);处理函数来说还需要有一些说明。void* 是接收到信号所携带的额外数据；而struct siginfo这个结构体主要适用于记录接收信号的一些相关信息。

siginfo_t {
              int      si_signo;    /* Signal number */
              int      si_errno;    /* An errno value */
              int      si_code;     /* Signal code */
              int      si_trapno;   /* Trap number that caused
                                       hardware-generated signal
                                       (unused on most architectures) */
              pid_t    si_pid;      /* Sending process ID */
              uid_t    si_uid;      /* Real user ID of sending process */
              int      si_status;   /* Exit value or signal */
              clock_t  si_utime;    /* User time consumed */
              clock_t  si_stime;    /* System time consumed */
              sigval_t si_value;    /* Signal value */
              int      si_int;      /* POSIX.1b signal */
              void    *si_ptr;      /* POSIX.1b signal */
              int      si_overrun;  /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
              int      si_timerid;  /* Timer ID; POSIX.1b timers */
              void    *si_addr;     /* Memory location which caused fault */
              int      si_band;     /* Band event */
              int      si_fd;       /* File descriptor */
}

其中的成员很多，si_signo 和 si_code 是必须实现的两个成员。可以通过这个结构体获取到信号的相关信息。 关于发送过来的数据是存在两个地方的，sigval_t si_value这个成员中有保存了发送过来的信息；同时，在si_int或者si_ptr成员中也保存了对应的数据。

那么，kill 函数发送的信号是无法携带数据的，我们现在还无法验证发送收的部分，那么，我们先来看看发送信号的高级用法后，我们再来看看如何通过信号来携带数据吧。

信号发送函数——高级版

#include 
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval {
  int   sival_int;
  void *sival_ptr;
};

使用这个函数之前，必须要有几个操作需要完成

1. 使用 sigaction 函数安装信号处理程序时，制定了 SA_SIGINFO 的标志。
2. sigaction 结构体中的 sa_sigaction 成员提供了信号捕捉函数。如果实现的时 sa_handler 成员，那么将无法获取额外携带的数据。

sigqueue 函数只能把信号发送给单个进程，可以使用 value 参数向信号处理程序传递整数值或者指针值。

sigqueue 函数不但可以发送额外的数据，还可以让信号进行排队（操作系统必须实现了 POSIX.1的实时扩展），对于设置了阻塞的信号，使用 sigqueue 发送多个同一信号，在解除阻塞时，接受者会接收到发送的信号队列中的信号，而不是直接收到一次。

但是，信号不能无限的排队，信号排队的最大值受到SIGQUEUE_MAX的限制，达到最大限制后，sigqueue 会失败，errno 会被设置为 EAGAIN。

那么我们来尝试一下，发送一个携带有额外数据的信号吧。 Show me the code！！ 接收端

#include
#include
#include 

//void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
void handler(int signum, siginfo_t * info, void * context)
{
   if(signum == SIGIO)
       printf("SIGIO   signal: %d\n", signum);
   else if(signum == SIGUSR1)
       printf("SIGUSR1   signal: %d\n", signum);
   else
       printf("error\n");
   
   if(context)
   {
       printf("content: %d\n", info->si_int);
       printf("content: %d\n", info->si_value.sival_int);
   }
}

int main(void)
{
   //int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
   struct sigaction act;
   
   /*
    struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    };
    */
   act.sa_sigaction = handler;
   act.sa_flags = SA_SIGINFO;
   
   sigaction(SIGIO, &act, NULL);
   sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);
   for(;;)
   {
       sleep(10000);
   }
   return 0;
}

发送端

#include 
#include 
#include
#include 


int main(int argc, char** argv)
{
   if(4 != argc)
   {
       printf("[Arguments ERROR!]\n");
       printf("\tUsage:\n");
       printf("\t\t%s   \n", argv[0]);
       return -1;
   }
   int pid = atoi(argv[1]);
   int sig = atoi(argv[2]);

   if(pid > 0 && sig > 0)
   {
       //int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
       union sigval val;
       val.sival_int = atoi(argv[3]);
       printf("send: %d\n", atoi(argv[3]));
       sigqueue(pid, sig, val);
   }
   else
   {
       printf("Target_PID or Signal_Number MUST bigger than 0!\n");
   }
   
   return 0;
}

接收到的信号和信息

发送的信号和数据

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