【Linux系統化學習】信號的保存

阻塞信號

信號處理常見方式概覽

信號的其他相關概念

在內核中的表示

sigset_t

信號集操作函數

sigprocmask函數

sigpending函數

信號的捕捉

內核如何實現信號的捕捉

sigaction函數

可重入函數

volatile

阻塞信號

信號處理常見方式概覽

當信號來臨時，進程可以有這三個處理動作：

1. 忽略此信號。
2. 執行該信號的默認處理動作。
3. 提供一個信號處理函數,要求內核在處理該信號時切換到用戶態執行這個處理函數,這種方式稱為捕捉(Catch)一個信號。

  1 #include<iostream>  2 #include<signal.h>  3 using namespace std;  4 int main()  5 {6     signal(2,SIG_IGN);7     signal(2,SIG_DFL);8     signal(2,nullptr);                                             9     return 0;                                   10 }

我們可以使用signal對信號進行捕捉，選擇處理動作；分別是忽略(SIG_IGN)、默認(SIG_DFL)、自定義方式；參數為一個返回值為void參數為int的函數指針。

信號的其他相關概念

實際執行信號的處理動作稱為信號遞達(Delivery)
信號從產生到遞達之間的狀態,稱為信號未決(Pending)。
進程可以選擇阻塞 (Block )某個信號。
被阻塞的信號產生時將保持在未決狀態,直到進程解除對此信號的阻塞,才執行遞達的動作.
注意,阻塞和忽略是不同的,只要信號被阻塞就不會遞達,而忽略是在遞達之后可選的一種處理動作

在內核中的表示

每個信號都有兩個標志位分別表示阻塞(block)和未決(pending),還有一個函數指針表示處理動作。信號產生時,內核在進程控制塊中設置該信號的未決標志,直到信號遞達才清除該標志。在上圖的例子中,SIGHUP信號未阻塞也未產生過,當它遞達時執行默認處理動作。

SIGINT信號產生過,但正在被阻塞,所以暫時不能遞達。雖然它的處理動作是忽略,但在沒有解除阻塞之前不能忽略這個信號,因為進程仍有機會改變處理動作之后再解除阻塞。

SIGQUIT信號未產生過,一旦產生SIGQUIT信號將被阻塞,它的處理動作是用戶自定義函數sighandler。如果在進程解除對某信號的阻塞之前這種信號產生過多次,將如何處理?POSIX.1允許系統遞送該信號一次或多次。Linux是這樣實現的:常規信號在遞達之前產生多次只計一次,而實時信號在遞達之前產生多次可以依次放在一個隊列里。

sigset_t

從上圖來看,每個信號只有一個bit的未決標志,非0即1,不記錄該信號產生了多少次,阻塞標志也是這樣表示的。因此,未決和阻塞標志可以用相同的數據類型sigset_t來存儲,sigset_t稱為信號集,這個類型可以表示每個信號的“有效”或“無效”狀態,在阻塞信號集中“有效”和“無效”的含義是該信號是否被阻塞,而在未決信號集中“有效”和“無效”的含義是該信號是否處于未決狀態。下一節將詳細介紹信號集的各種操作。阻塞信號集也叫做當前進程的信號屏蔽字(Signal Mask),這里的“屏蔽”應該理解為阻塞而不是忽略。

信號集操作函數

sigset_t類型對于每種信號用一個bit表示“有效”或“無效”狀態,至于這個類型內部如何存儲這些bit則依賴于系統實現,從使用者的角度是不必關心的,使用者只能調用以下函數來操作sigset_ t變量,而不應該對它的內部數據做任何解釋,比如用printf直接打印sigset_t變量是沒有意義的。

#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);

函數sigemptyset初始化set所指向的信號集,使其中所有信號的對應bit清零,表示該信號集不包含任何有效信號。
函數sigfillset初始化set所指向的信號集,使其中所有信號的對應bit置位,表示該信號集的有效信號包括系統支持的所有信號。
注意,在使用sigset_ t類型的變量之前,一定要調用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信號集處于確定的狀態。初始化sigset_t變量之后就可以在調用sigaddset和sigdelset在該信號集中添加或刪除某種有效信號。

這四個函數都是成功返回0,出錯返回-1。sigismember是一個布爾函數,用于判斷一個信號集的有效信號中是否包含某種信號,若包含則返回1,不包含則返回0,出錯返回-1。

sigprocmask函數

調用函數sigprocmask可以讀取或更改進程的信號屏蔽字(阻塞信號集)。

#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

如果調用sigprocmask解除了對當前若干個未決信號的阻塞,則在sigprocmask返回前,至少將其中一個信號遞達。

sigpending函數

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t* set)

讀取當前進程的未決信號集,通過set參數傳出。調用成功則返回0,出錯則返回-1。下面用剛學的幾個函數做個實驗。?

程序運行時,每秒鐘把各信號的未決狀態打印一遍,由于我們阻塞了SIGINT信號,按Ctrl-C將會使SIGINT信號處于未決狀態,按Ctrl-\仍然可以終止程序,因為SIGQUIT信號沒有阻塞。?

信號的捕捉

內核如何實現信號的捕捉

如果信號的處理動作是用戶自定義函數,在信號遞達時就調用這個函數,這稱為捕捉信號。由于信號處理函數的代碼是在用戶空間的,處理過程比較復雜,舉例如下: 用戶程序注冊了SIGQUIT信號的處理函數sighandler。當前正在執行main函數,這時發生中斷或異常切換到內核態。在中斷處理完畢后要返回用戶態的main函數之前檢查到有信號SIGQUIT遞達。內核決定返回用戶態后不是恢復main函數的上下文繼續執行,而是執行sighandler函數,sighandler和main函數使用不同的堆棧空間,它們之間不存在調用和被調用的關系,是兩個獨立的控制流程。 sighandler函數返回后自動執行特殊的系統調用sigreturn再次進入內核態。如果沒有新的信號要遞達,這次再返回用戶態就是恢復
main函數的上下文繼續執行了。

總結：

用戶態是一種受控制的狀態，能夠訪問的資源是有限的。
內核態是一種操作系統的工作狀態，能夠訪問大部分的系統資源。
進程從內核態返回到用戶態的時候，進行信號的檢測和信號的處理。信號捕捉中一個進程最少要進行四次身份轉換。

sigaction函數

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

sigaction函數可以讀取和修改與指定信號相關聯的處理動作。調用成功則返回0,出錯則返回- 1。signo是指定信號的編號。若act指針非空,則根據act修改該信號的處理動作。若oact指針非空,則通過oact傳出該信號原來的處理動作。act和oact指向sigaction結構體:

將sa_handler賦值為常數SIG_IGN傳給sigaction表示忽略信號,賦值為常數SIG_DFL表示執行系統默認動作,賦值為一個函數指針表示用自定義函數捕捉信號,或者說向內核注冊了一個信號處理函數,該函數返回值為void,可以帶一個int參數,通過參數可以得知當前信號的編號,這樣就可以用同一個函數處理多種信號。顯然,這也是一個回調函數,不是被main函數調用,而是被系統所調用。

當某個信號的處理函數被調用時,內核自動將當前信號加入進程的信號屏蔽字,當信號處理函數返回時自動恢復原來的信號屏蔽字,這樣就保證了在處理某個信號時,如果這種信號再次產生,那么它會被阻塞到當前處理結束為止。如果在調用信號處理函數時,除了當前信號被自動屏蔽之外,還希望自動屏蔽另外一些信號,則用sa_mask字段說明這些需要額外屏蔽的信號,當信號處理函數返回時自動恢復原來的信號屏蔽字。

可重入函數

main函數調用insert函數向一個鏈表head中插入節點node1,插入操作分為兩步,剛做完第一步的時候,因為硬件中斷使進程切換到內核,再次回用戶態之前檢查到有信號待處理,于是切換到sighandler函數,sighandler也調用insert函數向同一個鏈表head中插入節點node2,插入操作的兩步都做完之后從sighandler返回內核態,再次回到用戶態就從main函數調用的insert函數中繼續往下執行,先前做第一步之后被打斷,現在繼續做完第二步。結果是,main函數和sighandler先后向鏈表中插入兩個節點,而最后只有一個節點真正插入鏈表中了。?

像上例這樣,insert函數被不同的控制流程調用,有可能在第一次調用還沒返回時就再次進入該函數,這稱為重入,insert函數訪問一個全局鏈表,有可能因為重入而造成錯亂,像這樣的函數稱為不可重入函數,反之,如果一個函數只訪問自己的局部變量或參數,則稱為可重入(Reentrant) 函數。

如果一個函數符合以下條件之一則是不可重入的:

調用了malloc或free,因為malloc也是用全局鏈表來管理堆的。
調用了標準I/O庫函數。標準I/O庫的很多實現都以不可重入的方式使用全局數據結構。

volatile

先看一段代碼：

#include<iostream>2 #include<signal.h>3 #include<unistd.h>4 #include<cstdio>5 using namespace std;6 volatile int flag = 0;                                           
W>  7 void handler(int sig)8 {9     cout<<"flah is chenged:0 to 1"<<endl;10     flag = 1;11 }12 int main()13 {14     signal(2, handler);15     while(!flag);16     printf("process quit normal\n");17     return 0;}

正常情況下程序運行起來當我們使用鍵盤ctrl+c后操作系統會給進程發送信號，執行我們的自定義方法，flag值發生變化；打印語句程序退出。

優化情況下，鍵入 CTRL-C ,2號信號被捕捉，執行自定義動作，修改 flag＝1 ，但是 while 條件依舊滿足,進程繼續運行！但是很明顯flag肯定已經被修改了，但是為何循環依舊執行？很明顯， while 循環檢查的flag，并不是內存中最新的flag，這就存在了數據二異性的問題。 while 檢測的flag其實已經因為優化，被放在了CPU寄存器當中。

對于這種情況我們可以使用volatile關鍵字：保持內存的可見性，告知編譯器，被該關鍵字修飾的變量，不允許被優化，對該變量的任何操作，都必須在真實的內存中進行操作。