第6章 訊號和訊號處理

摘要

本章講述了訊號和訊號處理；介紹了訊號和中斷的統一處理，有助於從正確的角度看待訊號；將訊號視為程序中斷，將程序從正常執行轉移到訊號處理；解釋了訊號的來源，包括來自硬體、異常和其他程序的訊號；然後舉例說明了訊號在Unix/Linux中的常見用法；詳細解釋了Unix/Linux中的訊號處理，包括訊號型別、訊號向量位、訊號掩碼位、程序PROC結構體中的訊號處理程式以及訊號處理步驟；用示例展示瞭如何安裝訊號捕捉器來處理程式異常，如使用者模式下的段錯誤；還討論了將訊號用作程序間通訊（IPC）機制的適用性。讀者可藉助該程式設計專案，使用訊號和管道來實現用於程序交換資訊的程序間通訊機制。

6.1訊號和中斷

“中斷”是從1/0裝置或協處理器傳送到CPU的外部請求，它將CPU從正常執行轉移到中斷處理。與傳送給CPU的中斷請求一樣，“訊號”是傳送給程序的請求，將程序從正常執行轉移到中斷處理。
（1）首先，我們將程序的概念概括為：一個“程序”（引號中）就是一系列活動。廣義的 “程序”包括
・從事日常事務的人。
・在使用者模式或核心模式下執行的Unix/Linux程序。
・執行機器指令的CPU。
（2）“中斷”是傳送給“程序”的事件，它將“程序”從正常活動轉移到其他活動，稱 為“中斷處理”。“程序”可在完成“中斷”處理後恢復正常活動。
（3）“中斷” 一詞可應用於任何“程序”，並不僅限於計算機中的CPU。例如，我們可能會提到以下幾種“中斷”。
（3）當我在辦公室讀書、評分、做白日夢時，可能會發生一些真實事件，比如：

所有這些事件都叫作人員中斷。因為他們把人從正常活動轉向“應對或處理中斷”。處理完中斷後，此人可以繼續此前的活動（如果這個人還活著而且仍然記得自己之前的活動）。
每個中斷都分配有一個唯一的ID識別號，並有一個預先安裝的動作函式，人可在收到中斷請求時“執行”動作函式。根據來源，中斷可分為三類：

• 來自硬體的中斷：大樓著火，鬧鐘響了等。
• 來自其他人的中斷：電話響了，有人敲門等。
• 自己造成的中斷：切到手指，吃得太多等。

按照緊急程度，中斷可分為以下幾類：

• 不可遮蔽(NMI)：大樓著火！
• 可遮蔽：有人敲門等。

人員的每個動作函式都是通過本能或經驗實現的。由於人員中斷的種類太多，所以不能在上表中全部列出，但是思路應該清晰。
(3).2程序中斷。
這類中斷是傳送給程序的中斷。當某程序正在執行時，可能會收到來自3個不同來源的中斷：

• 來自硬體的中斷：終端、間隔定時器的“Ctrl+C”組合鍵等。
• 來自其他程序的中斷：kill(pid, SIG#)、death_of_child 等。
• 自己造成的中斷：除以0、無效地址等。

每個程序中斷都被轉換為一個唯一ID號，傳送給程序。與多種類的人員中斷不同，我們始終可限制在一個程序中的中斷的數量。Unix/Linux中的程序中斷稱為訊號，編號為1到31。程序的PROC結構體中有對應每個訊號的動作函式，程序可在收到訊號後執行該動作函式。與人員類似，程序也可遮蔽某些型別的訊號，以推遲處理。必要時，程序還可能會修改訊號動作函式。

(3) .4程序的陷阱錯誤。
程序可能會自己造成中斷。這些中斷是由被CPU識別為異常的錯誤引起的，例如除以0、無效地址、非法指令、越權等。當程序遇到異常時，它會陷入作業系統核心，將陷阱原因轉換為訊號編號，並將訊號傳送給自己。如果在使用者模式下發生異常，則程序的預設操作是終止，並使用一個可選的記憶體轉儲進行除錯。我們會在後面學習到，程序可以用訊號捕捉 器代替預設動作函式，允許它在使用者模式下處理訊號。如果在核心模式下發生陷阱，原因一定是硬體錯誤，或者很可能是核心程式碼中的漏洞，在這種情況下，核心無法處理。在Unix/Linux中，核心只打印一條PANIC錯誤訊息，然後就停止了。希望在下一個核心版本中可以跟蹤並修復這個問題。

6.2 Unix/Linux訊號示例

(1)按"Ctrl+C”組合鍵通常會導致當前執行的程序終止。原因如下。“Ctrl+C”組合鍵會生成一個鍵盤硬體中斷。鍵盤中斷處理程式將"Ctrl+C”組合鍵轉換為SIGINT (2)訊號，傳送給終端上的所有程序，並喚醒等待鍵盤輸入的程序。在核心模式下，每個程序都要檢查和處理未完成的訊號。程序對大多數訊號的預設操作是呼叫核心的kexit(exitValue)函式來終止。在Linux中，exitValue的低位位元組是導致程序終止的訊號編號。
(2)使用者可使用nohup a.out &命令在後臺執行一個程式。即使在使用者退出後，程序仍將繼續執行。nohup命令會使sh像往常一樣復刻子程序來執行程式，但是子程序會忽略S1GHUP(1)訊號。當用戶退出時，sh會向與終端有關的所有程序傳送一個S1GHUP訊號。後臺程序在接收到這一訊號後，會忽略它並繼續執行。為防止後臺程序使用終端進行I/O, 後臺程序通常會斷開與終端的連線(通過將其檔案描述符0、1、2重定向到/dev/null),使 其完全不受任何面向終端訊號的影響。
(3)也許幾天後，使用者再次登入時會發現(通過ps-u LTD)後臺程序仍在執行。使用者可以使用sh命令

kill pid (or kill -s 9 pid)

殺死該程序。方法如下。執行殺死的程序向pid標識的目標程序傳送一個SIGTERM(15)訊號，請求它死亡。目標程序將會遵從請求並終止。如果程序選擇忽略SIGTERM訊號，它可能拒絕死亡。在這種情況下，我們可以使用kill -s 9 pid,肯定能殺死它。因為程序不能修改對9號訊號的動作。讀者可能會問，為什麼是9號訊號呢？在最初的Unix中，只有9個訊號。9號訊號被保留為終止程序的終極手段。雖然後來的Unix/Linux系統將訊號編號擴充套件到了31,但是訊號編號9的含義仍然保留了下來。

6.3 Unix/Linux中的訊號處理

6.3.1 訊號型別

Unix/Linux支援31種不同的訊號，每種訊號在signal.h檔案中都有定義。

#define	SIGHUP	1
#define	SIGINT	2
#define	SIGQUIT	3
#define	SIGILL	4
#define	SIGTRAP	5
#define	SIGABRT	6
#define	SIGIOT	6
#define	SIGBUS	7
#define	SIGFPE	8
#define	SIGKILL	9
#define	SIGUSR1	10
#define	SIGSEGV	11
#define	SIGUSR2	12
#define	SIGPIPE	13
#define	SIGALRM	14
#define	SIGTERM	15
#define	SIGSTKFLT	16
#define	SIGCHLD	17
#define	SIGCONT	18
#define	SIGSTOP	19
#define	SIGTSTP	20
#define	STGTTTN	21
#define	SIGTTOU	22
#define	SIGURG	23
#define	SIGXCPU	24
#define	SIGXFSZ	25
#define	SIGVTALRM	26
#define	SIGPROF	27
#define	SIGWINCH	28
#define	SIGPOLL	29
#define	SIGPWR	30
#define	SIGSYS	31

每種訊號都有一個符號名,如 SIGHUP ( 1 )、SIGEMT ( 2 )、SIGKILL ( 9 )、S1GSEGV (11)等。

6.3.2 訊號的來源

• 來自硬體中斷的訊號：在程序執行過程中，一些硬體中斷被轉換為訊號傳送給程序。 硬體訊號示例是
  • 中斷鍵(Ctrl+C),它產生一個SIGINT ( 2 )訊號。
  • 間隔定時器，當它的時間到期時，會生成一個SIGALRM ( 14 ) .SIGVTALRM ( 26 ) 或 SIGPROF ( 27 )訊號。
  • 其他硬體錯誤，如匯流排錯誤、IO陷阱等。
• 來自異常的訊號：當用戶模式下的程序遇到異常時，會陷入核心模式，生成一個信 號，併發送給自己。常見的陷阱訊號有SIGFPE ( 8 ),表示浮點異常(除以0),最常 見也是最可怕的是SIGSEGV (11),表示段錯誤，等等。
• 來自其他程序的訊號：程序可使用kill(pid, sig)系統呼叫向pid標識的目標程序傳送 訊號。讀者可以嘗試以下實驗。在Linux下,執行簡單的C程式

main()( while(1); }

使程序無限迴圈。從另一個(X-window)終端，使用ps-u查詢迴圈程序pid。然後 輸入sh命令

kill -s 11 pid

迴圈程序會因為段錯誤而死亡。讀者可能會問：這怎麼可能呢？所有程序都在一個 While(l)迴圈中執行，它是如何產生段錯誤的呢？答案是：這並不重要。當某程序被某個訊號終止時，它的exitValue就包含這個訊號編號。父程序sh只是將死亡子程序的訊號編號轉換為一個錯誤字串，不管它是什麼。

6.3.3 程序PROC結構體中的訊號

每個程序PROC都有一個32位向量，用來記錄傳送給程序的訊號。在位向量中，每一 位(0位除外)代表一個訊號編號。此外，它還有一個訊號MASK位向量，用來遮蔽相應的 訊號。可使用一系列系統呼叫，如sigmasks sigsetmask, siggetmask. sigblock等設定、清
除和檢查MASK位向量。待處理訊號只在未被遮蔽的情況下才有效。這樣可以讓程序延遲 處理被遮蔽的訊號，類似於CPU遮蔽某些中斷。

6.3.4 訊號處理函式

每個程序PROC都有一個訊號處理陣列int sig[32]o sig[32]陣列的每個條目都指定了如何處理相應的訊號，其中0表示DEFault (預設)，1表示IGNore (忽略)，其他非零值表示 使用者模式下預先安裝的訊號捕捉(處理)函式。圖6.1給岀了訊號位向量、遮蔽位向量和訊號處理函式。