訊號的概念

為了理解訊號,先從我們最熟悉的場景說起:
　　 1. ⽤戶輸⼊命令,在Shell下啟動⼀個前臺程序。
　　2. ⽤戶按下Ctrl-C,這個鍵盤輸⼊產⽣⼀個硬體中斷。
　　3. 如果CPU當前正在執⾏這個程序的程式碼,則該程序的⽤戶空間程式碼暫停執⾏,CPU從⽤戶態 切換到核心態處理硬體中斷。
　　4. 終端驅動程式將Ctrl-C解釋成⼀個SIGINT訊號,記在該程序的PCB中(也可以說傳送了⼀ 個SIGINT訊號給該程序)。
　　5. 當某個時刻要從核心返回到該程序的⽤戶空間程式碼繼續執⾏之前,⾸先處理PCB中記錄的訊號,發現有⼀個SIGINT訊號待處理,⽽這個訊號的預設處理動作是終⽌程序,所以直接終⽌程序⽽不再返回它的⽤戶空間程式碼執⾏。

　　需要注意的是：鍵盤上的組合鍵形成的訊號只能用於前臺程序

　　目前來說，前臺程序隨時隨地都可以收到一個訊號，因為你在這個程序執行的任何時刻，你都可以出入“Ctrl-C”終止該程序。也就是說，訊號對於程序來說是非同步的。
　　對於訊號的種類的和多少，可以再Linux中斷輸入“kill -l”顯示。

　　
　　每個訊號都是一個巨集定義，具體的巨集值為多少請百度。
　　

訊號的產生

　　產生訊號的方法有四種：
　　1. 對於前臺程序來說，通過鍵盤的組合鍵就可以；
　　2. 計算機的軟/硬體中斷或異常。
　　硬體異常產⽣訊號,這些條件由硬體檢測到並通知核心,然後核心向當前程序傳送適當的訊號。例如當前程序執⾏了除以0的指令,CPU的運算單元會產⽣異常,核心將這個異常解釋 為SIGFPE訊號傳送給程序。再⽐如當前程序訪問了⾮法記憶體地址,,MMU會產⽣異常,核心 將這個異常解釋為SIGSEGV訊號傳送給程序。
　　

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int i=0;
    int ret=10/i;
    return 0;
}
[[email protected] temp]$ 

　　3. signal函式，但嚴格來說signal並不是一個產生訊號的函式，而是一個改變訊號預設動作的函式，signal函式可以對於指定的訊號更改他的預設動作來達到自定義訊號動作的效果。
　　

#include <stdio.h>
 

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include "mysleep.h"
void Handler(int i)
{
    printf("get a signal:%d \n",i);
}

int main()
{
    int i=1;
    for(;i<32;i++){
        signal(i,Handler);
        mysleep(1);
    }
    return 0;
}

　　4. kill函式，kill函式可以對一個指定的程序傳送一個指定的訊號。

//kill函式
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
    if( kill( atoi(argv[1]), atoi(argv[2]) )<0 ){
        perror("kill");
        exit(1);
    }else{
        printf("send No.%d sig to %d proc success\n",atoi(argv[2]),atoi(argv[1]));
    }
    return 0;
}

　　後臺執行一個死迴圈程序
　　然後執行kill函式
　　

訊號的處理

　　而作業系統對發來訊號的處理操作有三種：
　　1. 忽略此訊號。
　　2. 執⾏該訊號的預設處理動作。
　　3. 提供⼀個訊號處理函式,要求核心在處理該訊號時切換到⽤戶態執⾏這個處理函式,這種⽅式稱為捕捉(Catch)⼀個訊號。我們上面的第三條其實就是捕捉函式。

軟體如何產⽣訊號

　　
　　其實，庫裡已經為我們提供了函式，我們以alarm舉例。
　　

       #include <unistd.h>

       unsigned int alarm(unsigned int seconds);

　　這個函式的作用是在seconds秒後給本程序傳送一個SIGALRM訊號，而該訊號的預設動作為終止該程序。
　　返回值：
　　這個函式的返回值是0或者是以前設定的鬧鐘時間還餘下 的秒數。打個⽐⽅,某⼈要⼩睡⼀覺,設定鬧鐘為30分鐘之後響,20分鐘後被⼈吵醒了,還想多睡 ⼀會⼉,於是重新設定鬧鐘為15分鐘之後響,“以前設定的鬧鐘時間還餘下的時間”就是10分鐘。如果seconds值為0,表⽰取消以前設定的鬧鐘,函式的返回值仍然是以前設定的鬧鐘時間還餘下的秒數。
　　

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    int seconds=5;
    printf("pid:%d\n",getpid());
    int ret=alarm(seconds);
    while(1);
    printf("pid:%d\n",getpid());
    return 0;
}

　　5秒鐘之後因為鬧鐘訊號來臨，終止該程序。

訊號的結構

　　訊號並不是很簡單的程序給作業系統發訊號或作業系統給程序發訊號，然後呼叫系統呼叫解決問題那麼簡單的。
　　實際執⾏訊號的處理動作稱為訊號遞達(Delivery),訊號從產⽣到遞達之間的狀態,稱為訊號未決(Pending)。程序可以選擇阻塞(Block )某個訊號。被阻塞的訊號產⽣時將保持在未決狀態,直到程序解除對此訊號的阻塞,才執⾏遞達的動作。注意,阻塞和忽略是不同的,只要訊號被阻塞就不會遞達,⽽忽略是在遞達之後 可選的⼀種處理動作。
　　訊號的產生是有操縱系統發出的，發給程序。每個程序的PCB中都有三個“訊號表”，分別為block、pending、handler。
　　需要注意的是：這三個表都是使用點陣圖實現的。而且作業系統中，很多都是以點陣圖實現的，思考一下為什麼呢？
　　其中：block時訊號遮蔽字，意味著只要這個點陣圖中對應位有效後，對應的訊號就被遮蔽，無法正常遞達。
　　pending表的代表的意思是，訊號我已經收到，但是還沒有遞達到正確位置。
　　handler表代表的意思是每個訊號對應的處理方式。假如我們捕捉訊號，自定義訊號處理動作，則對應的handler表就會發生變化。
　　訊號在計算機中可以用下圖簡單說明：
　　

　　需要注意的是，即使pending中已有這個訊號，但是block中已經遮蔽該訊號，那該訊號以無法正常遞達。
　　

兩種訊號的遞達

　　如果在程序解除對某訊號的阻塞之前這種訊號產⽣過多次,將如何處理?POSIX.1允許系統遞送該訊號⼀次或多次。Linux是這樣實現的:常規訊號在遞達之前產⽣多次只計⼀次,⽽實時訊號在遞達之前產⽣多次可以依次放在⼀個佇列⾥。本章不討論實時訊號。從上圖來看,每個訊號只有⼀ 個bit的未決標誌,⾮0即1,不記錄該訊號產⽣了多少次,阻塞標誌也是這樣表⽰的。因此,未決和阻塞標誌可以⽤相同的資料型別sigset_t來儲存,sigset_t稱為訊號集,這個型別可以表⽰每個訊號的“有效”或“⽆效”狀態,在阻塞訊號集中“有效”和“⽆效”的含義是該訊號是否被阻塞,⽽在未決訊號集中“有效”和“⽆效”的含義是該訊號是否處於未決狀態。下⼀節將詳細介紹訊號集的各種操作。 阻塞訊號集也叫做當前程序的訊號遮蔽字(Signal Mask),這⾥的“遮蔽”應該理解為阻塞⽽不是忽略。

幾個操作訊號集的函式

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset); 

　　返回值:若成功則為0,若出錯則為-1
　　how引數的含義
　　
　　

#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);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo); 

　　函式sigemptyset初始化set所指向的訊號集,使其中所有訊號的對應bit清零,表⽰該訊號集不包含任何有效訊號。

　　函式sigfillset初始化set所指向的訊號集,使其中所有訊號的對應bit置位,表⽰該訊號集的有效訊號包括系統⽀持的所有訊號。注意,在使⽤sigset_t型別的變數之前,⼀定要調 ⽤sigemptyset或sigfillset做初始化,使訊號集處於確定的狀態。初始化sigset_t變數之後就可以 在調⽤sigaddset和sigdelset在該訊號集中新增或刪除某種有效訊號。

　　這四個函式都是成功返回0,出錯返回-1。ｓigismember是⼀個布林函式,⽤於判斷⼀個訊號集的有效訊號中是否包含某種 訊號,若包含則返回1,不包含則返回0,出錯返回-1。

　　
　　使用這幾個函式來試試對訊號的瞭解
　　

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

void printsigset(sigset_t* sig)
{
    int i=1;
    for(;i<32;i++){
        if( sigismember(sig, i) ){//check No."i" signal
            printf("%d ",1);
        }else{
            printf("%d ",0);
        }
    }
    printf("\n");
}

int main()
{
    sigset_t a,b;
    sigemptyset(&a);//init
    sigemptyset(&b);
    sigaddset(&a,SIGINT);//add SIGINT to a
    if( sigprocmask(SIG_BLOCK,&a,NULL)<0 ){//block SIGINT signal ,mean CTRL-C can't end this peocess
        perror("sigprocmask");
        exit(1);
    }
    while(1){
        sigpending(&b);//get b'pending table
        printsigset(&b);//print now pending
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

　可以發現，原來沒有一個訊號位有效，但是我使用組合鍵Ctrl+C後，2號訊號就變為有效了，並且之前使用sigprocmask函式遮蔽了2號訊號，也就是SIGINT，所以Ctrl+C沒有終止程式。
　

訊號的捕捉

　　如果訊號的處理動作是⽤戶⾃定義函式,在訊號遞達時就調⽤這個函式,這稱為捕捉訊號。由於訊號處理函式的程式碼是在⽤戶空間的,處理過程⽐較複雜,舉例如下:
1. ⽤戶程式註冊了SIGQUIT訊號的處理函式sighandler。
2. 當前正在執⾏main函式,這時發⽣中斷或異常切換到核心態。
3. 在中斷處理完畢後要返回⽤戶態的main函式之前檢查到有訊號SIGQUIT遞達。
4. 核心決定返回⽤戶態後不是恢復main函式的上下⽂繼續執⾏,⽽是執⾏sighandler函式,sighandler和main函式使⽤不同的堆疊空間,它們之間不存在調⽤和被調⽤的關係,是 兩個獨⽴的控制流程。
5. sighandler函式返回後⾃動執⾏特殊的系統調⽤sigreturn再次進⼊核心態。
6. 如果沒有新的訊號要遞達,這次再返回⽤戶態就是恢復main函式的上下⽂繼續執⾏了。
　　可以用下圖表示：
　　
　　訊號的捕捉的程式碼，上面已經實現了。