Linux系统编程之信号以及相关API函数详解

信号的概念

信号再我们的生活中随处可见，如：古代战争中摔杯为号；现在战争中的信号弹；体育比赛中使用的信号强等，它们有相同的共性：

1. 简单
2. 不能携带大量信息
3. 满足某个设定条件才发送
4. 信号是信息的载体，Linux/UNIX环境下古老的通信方式，线下依然是主要的通信手段。

UNIX早期版本就提供了信号机制，但不可靠，信号可能丢失，Berkley和AT&T都对信号模型做了更改，增加了可靠信号的机制，但彼此不兼容，POSIX.1对可靠信号进行可标准化。

信号的机制

A给B发送信号，B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，取处理信号，处理完毕再继续执行，与硬件和中断类似（异步模式），但信号是软件层面上实现的中断，早期被称为"软中断"。

由于信号是通过软件方法实现的，其实现手段导致信号有很强的延时性，但对用户来说这个延时非常短，不易察觉。

每个进程收到的所有信号都是由内核负责发送的，并且由 内核处理。

与信号相关的事件和状态

产生信号

1. 按键产生：Ctrl + c、Ctrl + z、Ctrl + \
2. 系统调用产生：kill、raise、abort
3. 软件条件产生：定时器、alarm
4. 硬件异常产生：非法访问内存（段错误）、除0（浮点数例外）、内存对齐出错（总线错误）
5. 命令产生：kill命令

递达

• 信号产生之后传递并且到达进程

未决

• 产生和递达之间的状态，由于信号的屏蔽或阻塞导致的该状态

信号的处理方式

1. 执行默认动作
2. 忽略（丢弃）
3. 捕捉（调用用户编写的信号畜栏里函数）

Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体，除了包含进程id、状态、工作目录、用户id、组id、文件按描述符，还包含了信号相关的信息，主要是指阻塞信号集和未决信号集。

未决信号集

当信号产生后，未决信号集中描述该信号的为立刻反转为1，表示该信号处于未决状态，这一时刻非常短暂，当信号被处理后该位对应的位立刻反转为0。

信号产生后由于阻塞或屏蔽导致信号不能递达，这类信号的集合被称为未决信号集，再解除屏蔽前，信号会一直处理未决状态。

阻塞信号信号集

将某些信号加入该集合，就会对该信号进行屏蔽，当该信号被屏蔽后，再次收到该信号时，对该信号的处理将会推迟（直到该信号解除屏蔽）

查看信号

再Linux操作系统下，可以使用 kill -l 指令查看当前系统可以使用的信号有哪些

信号的四要素

1. 编号：每个信号都有一个唯一的编号，用于在系统中标识该信号。例如，SIGHUP的编号是1，SIGINT的编号是2。
2. 名称：每个信号都有一个对应的名称，用于在编程或命令行中引用该信号。例如，SIGHUP的名称是SIGHUP，SIGINT的名称是SIGINT。
3. 事件：每个信号都与一个特定的事件相关联。当发生该事件时，操作系统会向相应的进程发送对应的信号。例如，SIGINT与用户在终端上按下Ctrl+C键相关联。
4. 默认处理动作：每个信号都有一个默认的处理动作，即操作系统在收到信号时所采取的默认行为。默认处理动作可以是终止进程、忽略信号、产生核心转储文件等。可以通过编程或命令行来修改信号的默认处理动作。

信号4要素对于理解和处理信号非常重要。在编程中，可以使用信号处理函数来捕获和处理特定的信号，以便根据需要采取适当的操作。

常用信号介绍

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
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。
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。
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
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。
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。
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文件。
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。
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。
SIGUSE1：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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。
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。
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。
SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。
SIGTTOU: 该信号类似于SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。
SIGURG：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出些信号，报告有紧急数据到达。如网络带外数据到达，默认动作为忽略该信号。
SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间 ，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。
SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。
SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。
SGIPROF：类似于SIGVTALRM，它不公包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。
SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。
SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。
SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。
SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGRTMIN ～ (64) SIGRTMAX：LINUX的实时信号，它们没有固定的含义（可以由用户自定义）。所有的实时信号的默认动作都为终止进程。

信号相关的API函数

kill()

功能
	向指定进程发送信号。可以通过指定进程ID将特定信号发送给目标进程
头文件
	#include <sys/types.h>
  #include <signal.h>
原型
	int kill(pid_t pid, int signum)
参数
	pid			要发送信号的进程ID。
	signum	要发送的信号编号，不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
返回值
	成功 0
  失败 -1
  
	pid > 0:  发送信号给指定的进程。
	pid = 0:  发送信号给 与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程。
	pid < 0:  取|pid|发给对应进程组。
	pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。

alarm()

功能
	设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。
头文件
	#include <unistd.h>
原型
	unsigned int alarm(unsigned int seconds)
参数
	seconds	要设置的定时器的时间，单位为秒
返回值
	返回之前设置的定时器剩余的时间，如果之前没有设置定时器，则返回0
  
alarm函数定时与进程状态无关(自然定时法)！就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸...无论进程处于何种状态，alarm都计时。

setitimer()

功能
	设置定时器(闹钟)。 可代替alarm函数。精度微秒us，可以实现周期定时。
头文件
	#include <sys/time.h>
原型
	int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value)
参数
  which	指定要设置的定时器类型，可以是ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL或ITIMER_PROF之一。
  new_value	指向一个itimerval结构的指针，用于设置新的定时器值。
  old_value	指向一个itimerval结构的指针，用于获取之前的定时器值。
返回值
	成功 0
  失败 -1

sigemptyset()

功能
	将指定的信号集清空，即将所有信号位都置为0
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigemptyset(sigset_t *set)
参数
	set	一个指向sigset_t类型的指针，用于表示要清空的信号集
返回值
	成功 0
  失败 -1

sigfillset()

功能
	将指定的信号集置为1，即将所有信号位都置为1
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigfillset(sigset_t *set);
参数
	set	一个指向sigset_t类型的指针，用于表示要置1的信号集
返回值
	成功 0
  失败 -1

sigaddset()

功能
	将指定的信号添加到信号集中，即将对应信号位置为1
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
参数
	set	一个指向sigset_t类型的指针，用于表示要添加信号的信号集；
  signum	要添加的信号编号。
返回值
成功	0
失败	-1

sigdelset()

功能
	将指定的信号从信号集中删除，即将对应信号位置为0
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
参数
	set		一个指向sigset_t类型的指针，用于表示要从中删除信号的信号集；
  signum	要删除的信号编号。
返回值
	成功0
  失败-1

sigismember()

功能
	判断指定的信号是否在信号集中，即判断对应信号位是否为1。
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
参数
	set		一个指向sigset_t类型的指针，用于表示要判断的信号集；
  signum	是要判断的信号编号。
返回值
  在集合中返回1
  不在集合中返回0
  出错返回-1。

sigprocmask()

功能
	设置或修改进程的信号屏蔽字，即设置进程的信号屏蔽集。
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)
参数
	how	指定如何修改信号屏蔽字，可以是以下几种取值之一：
      SIG_BLOCK：将set中的信号添加到当前信号屏蔽字中。
      SIG_UNBLOCK：将set中的信号从当前信号屏蔽字中移除。
      SIG_SETMASK：将当前信号屏蔽字设置为set中的值。
	set	指向sigset_t类型的指针，表示要设置的信号屏蔽集。
	oldset	指向sigset_t类型的指针，用于获取之前的信号屏蔽集。
返回值
	成功 0
  失败 -1

sigpending()

功能
	读取当前进程的未决信号集
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigpending(sigset_t *set)
参数
	set	传出参数，未决信号集
返回值
	成功 0
  失败 -1

signal()

功能
	设置信号的处理函数，即指定在接收到某个信号时要执行的处理函数
头文件
	#include <signal.h>
原型
	void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);
参数
	ignum：要设置处理函数的信号编号，可以是以下几种取值之一：
        SIGABRT：程序异常终止。
        SIGFPE：算术异常。
        SIGILL：非法指令。
        SIGINT：中断信号。
        SIGSEGV：段错误。
        SIGTERM：终止信号。
  handler：指向处理函数的指针，可以是以下几种取值之一：
        SIG_DFL：默认处理函数。
        SIG_IGN：忽略信号。
自定义的信号处理函数。
返回值
	成功 指向之前信号处理函数的指针
  失败 返回SIG_ERR
  
  signal函数在设置信号处理函数时，会返回指向之前信号处理函数的指针，以便在需要恢复之前的处理函数时使用

sigaction()

功能
	设置信号的处理函数和处理方式，相比于signal函数，它提供了更多的功能和灵活性。
头文件
	#include <signal.h>
原型
	int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
参数
	signum：要设置处理函数的信号编号，可以是以下几种取值之一，也可以是自定义的信号编号。
	act：指向struct sigaction类型的指针，表示要设置的信号处理方式。
	oldact：指向struct sigaction类型的指针，用于获取之前的信号处理方式。
返回值
	成功 0
  失败 -1
  
struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int); // 处理函数的指针
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 扩展的处理函数的指针
    sigset_t sa_mask; // 用于阻塞的信号集
    int sa_flags; // 标志位
    void (*sa_restorer)(void); // 未使用
};

信号的捕捉性

信号捕捉特性是指在接收到信号时，进程可以通过设置信号处理函数来对信号进行处理。这种特性允许进程在接收到特定信号时执行自定义的操作，例如处理异常情况、优雅地终止进程等。

信号捕捉特性的实现依赖于操作系统提供的信号机制。当进程接收到一个信号时，操作系统会中断当前的执行流程，调用相应的信号处理函数来处理该信号。

在信号处理函数中，可以执行一些特定的操作，例如打印日志、发送通知、保存数据等。处理函数的具体逻辑由程序员根据实际需求自行编写。

在设置信号处理函数时，可以使用signal函数或sigaction函数。signal函数是较早的信号处理函数，功能相对简单，只能指定处理函数的指针。而sigaction函数提供了更多的功能和灵活性，可以指定处理函数的指针、阻塞信号集、处理方式等。

需要注意的是，在信号处理函数中，应尽量避免执行耗时操作和非可重入函数，以免影响程序的正常执行。另外，某些信号是不可捕捉的，例如SIGKILL和SIGSTOP，它们的处理函数无法被设置或修改。

信号捕捉特性在很多场景下都有重要的作用，例如：

• 处理异常情况：当程序发生异常时，可以通过捕捉相应的信号来进行错误处理，例如打印错误信息、记录日志、进行资源清理等。
• 优雅地终止进程：通过捕捉SIGINT信号（通常由Ctrl+C发送），可以在用户希望终止进程时进行一些清理工作，例如保存数据、关闭文件、释放资源等。
• 进程间通信：信号可以用于进程间的简单通信，例如通过信号来触发另一个进程执行某个操作。
• 定时任务：通过捕捉定时器信号（如SIGALRM），可以实现定时任务的功能，例如定时执行某个操作、定时检查某个状态等。

总之，信号捕捉特性为进程提供了一种灵活的机制，可以在特定的时刻对信号进行处理，从而实现更多的功能和逻辑。但在使用信号捕捉特性时，需要注意处理函数的安全性和可靠性，以及避免滥用信号机制导致不可预料的问题。

内核实现信号捕捉的过程：

信号的注意事项

1. 信号处理函数的安全性：信号处理函数应该是线程安全的，因为它可能会在任何时候被调用，甚至在关键代码段中断执行。因此，应避免在信号处理函数中使用不可重入函数、共享数据、非线程安全的库函数等。
2. 信号处理函数的执行时间：由于信号处理函数会中断当前的执行流程，因此应尽量保持信号处理函数的执行时间尽可能短。长时间的处理函数可能会导致延迟和性能问题。
3. 信号的排队和丢失：在某些情况下，多个相同类型的信号可能会在处理函数执行之前被合并为一个信号，这可能导致信号的丢失。为了避免信号丢失，可以使用信号屏蔽集或实时信号。
4. 不可捕捉的信号：有一些信号是不可捕捉的，例如SIGKILL和SIGSTOP。这些信号的处理函数无法被设置或修改。
5. 信号的默认处理方式：每个信号都有一个默认的处理方式，例如终止进程、忽略信号、产生核心转储等。在设置信号处理函数之前，应该了解信号的默认处理方式，并根据需要选择合适的处理方式。
6. 信号的可重入性：某些信号处理函数是不可重入的，即不能在信号处理函数中再次调用该信号的处理函数。这是因为信号处理函数可能会被递归调用，导致不可预料的问题。为了避免这种情况，可以使用sigaction函数的SA_RESTART标志来避免信号中断系统调用。
7. 信号的阻塞和解除阻塞：可以使用sigprocmask函数来设置信号屏蔽集，阻塞或解除阻塞指定的信号。这可以用于控制信号在某些关键代码段的中断执行。
8. 信号的发送和接收：可以使用kill函数向指定的进程发送信号，也可以使用raise函数向自身发送信号。在接收信号时，可以使用signal函数或sigaction函数来设置信号处理函数。

使用信号时需要注意处理函数的安全性、执行时间和可重入性，同时要了解信号的默认处理方式和不可捕捉的信号。合理地使用信号处理机制可以帮助我们实现一些重要的功能和逻辑。