Linux系列

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前言

Linux系統中，信號捕捉是指進程可以通過設置信號處理函數來響應特定信號。通過信號捕捉機制，進程可以對異步事件做出及時響應，從而提高程序的健壯性和靈活性。

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一、進程對信號的捕捉

圖中內容及執行流程我已在Linux系列上上篇博客中介紹了，這里就不重復了。

1.1 內核對信號的捕捉

當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:
1、用戶程序注冊（對指定信號捕捉）了SIGQUIT信號的處理函數sighandler。

2、 當前正在執行main函數,這時發生中斷或異常切換到內核態。

3、 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。

4、 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。

5、 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。

6、 再次檢測sigpending位圖,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。

1.2 sigaction()函數

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

功能：捕捉指定信號，并讀取和修改與指定捕捉信號相關聯的處理動作。

參數

signum:指定捕捉信號的編號。

act: 輸入型參數，act若非空，則根據act來修改信號的處理動作。

oldact：輸出型參數，oldact若非空，則獲取信號原來的處理動作。

struct sigaction：系統為用戶提供的結構體類型，幫助用戶訪問內核級結構體：

今天我們主要使用，上面兩個成員對象。

1. 信號處理方法，該方法需要一個整形變量，函數指針類型
2. act.sa_mask 所代表的是在信號處理函數執行期間需要阻塞的信號集合。也就是說，當 指定信號被捕獲并且處理函數handler開始執行時，sa_mask 里的信號會被阻塞，一直到處理函數執行完畢。

下面我們通過兩個場景來認識他們：

例一

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;void handler(int signum)
{cout<<"I catch a signal:"<<signum<<endl;return;
}
int main()
{struct sigaction act;struct sigaction olact;memset(&act,0,sizeof(act));//初始化內存空間memset(&olact,0,sizeof(olact));sigaction(2,&act,&olact);//對二號信號捕獲，并修改處理方法while(true){cout<<"I am process,Pid:"<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

可以看到這樣我們，就完成了對二號進程的捕獲并修改執行方法為自定義的行為。

例二

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
using namespace std;void handler(int signum)
{cout<<"I catch a signal:"<<signum<<endl;sleep(10);//在執行handler方法期間，blocksig阻塞信號集中的信號被阻塞return;
}
int main()
{struct sigaction act;struct sigaction olact;memset(&act,0,sizeof(act));//初始化內存空間memset(&olact,0,sizeof(olact));sigset_t blocksig;sigaddset(&blocksig,2);//將二信號添加進blocksigact.sa_handler=handler;//將處理方法添加到act對象中act.sa_mask=blocksig;//將想要阻塞的信號位圖賦值給actsigaction(2,&act,&olact);//對二號信號捕獲，并修改處理方法while(true){cout<<"I am process,Pid:"<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

從執行結構可以得到，當二號信號被捕獲執行處理方法，到該方法執行結束，二號信號一直被阻塞，當解除阻塞后，二號信號再次遞達。這里也可以使用SIG_IGN(忽略信號)、SIG_DFL(執行默認方法)，來設定act.sa_handler。測試時建議嘗試其他信號，因為即使我們不手動的將二號信號添加到阻塞信號集，系統在執行二號信號時也會將它先阻塞，下面我們來詳細探討。

1.3 信號集的修改時機

當我們完成對指定信號的捕捉并執行對應處理方法時，操作系統會在執行該方法前，先將pending位圖中對應信號的標志位由1置為0，并將該信號添加到對應的阻塞信號集中。具體來說，在二號信號處理方法執行期間，即便進程再次收到二號信號，該信號也不會被遞達。只有當上一個信號處理方法執行完畢并返回后，操作系統解除對二號信號的阻塞，新收到的二號信號才會被遞達。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
using namespace std;void printsig()
{sigset_t set;sigemptyset(&set);sigpending(&set);for(int i=1;i<=31;i++)//依次檢測信號集{if(sigismember(&set,i))cout<<1;else cout<<0;}cout<<endl;return ;
}
void handler(int signum)
{int cnt=5;while(cnt--){printsig();sleep(1);}cout<<"I catch a signal:"<<signum<<endl;sleep(5);//在執行handler方法期間，blocksig阻塞信號集中的信號被阻塞return;
}
int main()
{struct sigaction act;struct sigaction olact;memset(&act,0,sizeof(act));//初始化內存空間memset(&olact,0,sizeof(olact));act.sa_handler=handler;//將處理方法添加到act對象中sigaction(2,&act,&olact);//對二號信號捕獲，并修改處理方法while(true){cout<<"I am process,Pid:"<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

從程序執行結果可以得出，當方法被執行時，操作系統會先將pending信號集1--->0,并將該信號阻塞，知道上次執行結束才會完成遞達。

二、可重入函數

結合圖中展示，分析函數調用鏈

在程序運行過程中，main函數調用insert函數，打算向鏈表head中插入節點node1。insert函數的插入操作分為兩個步驟，當main函數調用的insert函數剛完成第一步時，硬件中斷出現，進程被切換到內核態。在從內核態再次返回用戶態之前，系統檢測到有信號需要處理，于是進程轉而執行sighandler函數。在sighandler函數中，同樣調用了insert函數，并且向同一個鏈表head中插入節點node2。sighandler函數中的insert操作順利完成了兩個步驟，之后從sighandler函數返回內核態，接著再次回到用戶態時，恢復上下文數據，程序從main函數調用的insert函數中斷處繼續執行，完成了剩余的第二步操作。原本main函數和sig handler函數先后嘗試向鏈表中插入兩個不同的節點，但最終鏈表中實際上僅成功插入了一個節點。

在上述執行流程中，insert函數被main和handler兩條執行流重復調用，這一情況引發了結點丟失問題，并進而導致內存泄漏。像insert函數這種在被重復調用時可能出錯或已經出錯的函數，我們稱之為不可重入函數；與之相對應的，則被稱為可重入函數。

不可重入函數的特點：
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。

三、volatile關鍵字

接下來會通過這個關鍵字，拓展部分知識

例一

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
using namespace std;int flag=0;void handler(int signum)
{cout<<"I captured a signal:"<<signum<<endl;flag=1;
}
int main()
{struct sigaction act;memset(&act,0,sizeof(act));act.sa_handler=handler;sigaction(2,&act,nullptr);while(!flag);cout<<"process quit "<<endl;return 0;
}

mytest:mytest.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11

相信這個執行結果大家都能理解，我就不對上面代碼作解釋了。
這里將flag設為全局變量，是因為main和sighandler是兩個獨立的執行流

例二
代碼同上

mytest:mytest.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -O2

從程序執行結果可知，當將g++編譯器的優化級別設置為-O2時，即便通過發送二號信號（SIGINT）將flag變量修改為1，循環仍無法終止。這一現象的根源在于：當使用-O2這類高級優化級別編譯代碼時，編譯器會對代碼進行多維度優化以提升執行效率。針對while(!flag);這一循環結構，編譯器通過靜態代碼分析發現，循環體內部不存在對flag變量的修改操作，因此推斷該變量的值在循環過程中不會發生變化。

基于“內存訪問速度相對較慢”這一特性，編譯器為減少對內存的頻繁訪問，會將flag變量的值從內存加載至CPU寄存器中緩存。此后，在循環條件判斷時，CPU會直接從寄存器中讀取flag的值，而非重新從內存中獲取最新數據，這就導致flag內存不可見了。然而，信號處理機制對flag變量的修改是直接作用于內存的，由于寄存器中的緩存值未及時刷新，導致循環條件判斷始終基于寄存器中的舊值，最終造成循環無法終止的現象。

對于上面的結果我們可以,將 flag 聲明為 volatile 類型，即 volatile int flag = 0;。volatile 關鍵字的作用是保存flag的內存可見性，告訴編譯器，這個變量的值可能會被意外地改變，例如被硬件或者其他線程、信號處理函數等修改，因此編譯器不能對其進行優化，這里就不展示了。

四、SIGCHLD信號

之前我們探討過使用 wait 和 waitpid 函數來清理僵尸進程。在處理子進程結束的問題上，父進程有兩種選擇：一是進行阻塞等待，直至子進程結束；二是采用非阻塞的輪詢方式，周期性地檢查是否有子進程結束，以便及時清理。然而，這兩種方式都存在明顯的弊端。若采用阻塞等待的方式，父進程在等待期間會被阻塞，無法處理自身的任務，這會極大地降低父進程的工作效率。而采用輪詢方式，雖然父進程可以在處理自身工作的同時檢查子進程的狀態，但這要求父進程時刻記得進行輪詢操作，無疑增加了程序實現的復雜度，也容易出現疏漏。實際上，當子進程終止時，它會向父進程發送 SIGCHLD 信號。該信號的默認處理方式是被忽略，但我們可以對其進行優化。父進程可以自定義 SIGCHLD 信號的處理函數，這樣一來，父進程就能夠專注于自身的工作，無需時刻關注子進程的狀態。當子進程終止時，會自動通知父進程，父進程只需在信號處理函數中調用 wait 函數，即可完成子進程的清理工作，既高效又便捷。 下面我們通過這樣的方式實現一下：

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
using namespace std;void handler(int signum)
{pid_t wid=waitpid(0,nullptr,WNOHANG);if(wid)cout<<"child quit success"<<endl;return;
}
int main()
{signal(SIGCHLD,handler);pid_t id=fork();if(id==0){sleep(5);//模擬子進程工作exit(0);}while(true){cout<<"I am father process"<<endl;sleep(1);}return 0;
}

從執行結果可以得出，子進程在退出時給父進程發送了SIGCHLD信號。

當然還有一種防止僵尸進程的方法：父進程調 用sigaction將SIGCHLD的處理動作置為SIG_IGN,這樣fork出來的子進程在終止時會自動清理掉,不會產生僵尸進程,也不會通知父進程：

int main()
{struct sigaction act;memset(&act,0,sizeof(act));act.sa_handler=SIG_IGN;sigaction(SIGCHLD,&act,nullptr);pid_t id=fork();if(id==0){sleep(5);exit(0);}while(true){cout<<"I am father process"<<endl;sleep(1);}return 0;
}

這個結果不方便展示，你自己嘗試一下。
本篇就分享到這里了，如果文章的知識，或代碼有錯誤請您聯系我，不勝感激！！！