處理 Linux 信號：進程控制與異常管理的核心

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文章專欄-Linux

前言：

在 Linux 操作系統中，信號是用于進程間通信的一種機制，能夠向進程發送通知，指示某些事件的發生。信號通常由操作系統內核、硬件中斷或其他進程發送。接收和處理信號是 Linux 系統中進程控制和資源管理的一個重要組成部分。

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信號的保存

信號遞送（Delivery）

  • 信號的處理動作稱為信號遞送（Delivery）。
    • 這意味著在 Linux 系統中，當信號發生時，它會被傳遞到目標進程并執行相應的操作。遞送是信號處理的第一步，是信號機制中至關重要的一部分。

2. 信號未決（Pending）

  • 信號從產生到遞送之間的狀態，稱為信號未決（Pending）。

    • 當信號發送到一個進程，但該進程因某些原因（如信號被屏蔽或進程正在執行其他操作）暫時無法處理信號時，這個信號就會處于未決狀態，等待后續處理。

  • Linux內核是通過一個一個位圖編標記信號，進而儲存信號

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  • block 位圖（通常是一個 sigset_t 類型的數據結構）用于記錄當前進程被阻塞的信號。每一位代表一個特定的信號，當該位被設置為1時，表示該信號處于被阻塞狀態；如果該位是0，則表示該信號未被阻塞，可以遞送給進程。
  • pending 位圖（Pending Bitmap）用于記錄進程中待處理的信號。位圖是一個位數組，其中每個比特代表一個信號的狀態（是否待處理）。
  • headler代表的是該信號所需要用的方法。

sigset_t

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定義：

sigset_t 是一個適用于信號管理的基本數據類型，通常在頭文件 <signal.h> 中定義。它的具體實現依賴于系統，但通常是一個位圖或位集合，每一位表示一個信號的狀態（是否被屏蔽、是否待處理等）。

sigset_t 的用途

  • 信號屏蔽：用于設置進程的信號掩碼（signal mask），即哪些信號被屏蔽，不允許遞送。例如，通過 sigprocmask 函數修改信號掩碼。
  • 信號檢查：通過 sigpending() 函數檢查進程是否有待處理的信號。
  • 信號操作：例如，sigaddset() 和 sigdelset() 等函數可以用來向信號集添加或移除特定信號

常用函數與 sigset_t 的操作

在 Linux 系統中，sigset_t 是一個數據類型，用于表示信號集，通常用于管理信號的掩碼。它用于存儲一個進程中多個信號的集合，可以用來表示進程阻塞的信號、待處理的信號等。

sigset_t 類型定義

sigset_t 是一個適用于信號管理的基本數據類型，通常在頭文件 <signal.h> 中定義。它的具體實現依賴于系統，但通常是一個位圖或位集合，每一位表示一個信號的狀態（是否被屏蔽、是否待處理等）。

sigset_t 的用途

sigset_t 主要用于以下幾個方面：

  • 信號屏蔽：用于設置進程的信號掩碼（signal mask），即哪些信號被屏蔽，不允許遞送。例如，通過 sigprocmask 函數修改信號掩碼。
  • 信號檢查：通過 sigpending() 函數檢查進程是否有待處理的信號。
  • 信號操作：例如，sigaddset() 和 sigdelset() 等函數可以用來向信號集添加或移除特定信號。

sigset_t 的操作

以下是一些與 sigset_t 相關的常見操作函數：

  • sigemptyset(sigset_t ,*set)： 初始化一個空的信號集（即不包含任何信號）。

    sigset_t set;
sigemptyset(&set); // 將 set 設為空信號集

  • sigfillset(sigset_t ,*set)： 初始化一個包含所有信號的信號集。

    sigset_t set;
sigfillset(&set); // 將 set 設為包含所有信號的信號集

  • sigaddset(sigset_t ,*set, int signo)： 將指定的信號添加到信號集。

    sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT); // 將 SIGINT 添加到 set 中

  • sigdelset(sigset_t ,*set, int signo)： 從信號集移除指定的信號。

    sigdelset(&set, SIGINT); // 從 set 中刪除 SIGINT

  • sigismember(const sigset_t ,*set, int signo)： 檢查指定的信號是否在信號集中。

    if (sigismember(&set, SIGINT)) {// 如果 SIGINT 在 set 集合中
}

控制sigset_t常見函數

sigprocmask(int how, const sigset_t ,*set, sigset_t ,*oldset)： 修改進程的信號掩碼（即屏蔽哪些信號）。

  • sigismember(const sigset_t ,*set, int signo)： 檢查指定的信號是否在信號集中。

    if (sigismember(&set, SIGINT)) {// 如果 SIGINT 在 set 集合中
}

    • how:

      參數控制信號掩碼的設置方式：

      • SIG_BLOCK：把 set中的信號添加到 blocked中(blocked= blocked | set)。
      • SIG_UNBLOCK：從 blocked中刪除 set中的信號(blocked= blocked & set)。
      • SIG_SETMASK：block= set
    sigset_t set, oldset;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset); // 阻塞 SIGINT

  • sigpending(sigset_t g*set)： 獲取當前進程的未決信號集，返回一個信號集，表示所有尚未被處理的信號。

    sigset_t set;
sigpending(&set); // 獲取當前進程的待處理信號

屏蔽字的實例

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 函數：用于打印信號集中的信號狀態
void pendingprint(sigset_t &pending)
{// 遍歷信號集中的每個信號，從31到1（Linux支持的信號范圍通常是1到31）for(int i = 31; i >= 1; i--){// 檢查信號集pending中是否包含第i個信號if (sigismember(&pending, i)){std::cout << "1";  // 如果信號存在，打印"1"}else{std::cout << "0";  // 如果信號不存在，打印"0"}}std::cout << "\n";  // 換行打印結果
}int main()
{// 定義信號集，用于保存信號掩碼、舊掩碼和待處理信號集sigset_t mask, old_mask;sigset_t pending;// 初始化信號集mask為空信號集sigemptyset(&mask);// 將SIGINT信號（Ctrl+C觸發的中斷信號）添加到信號集mask中sigaddset(&mask, SIGINT);// 將SIGINT信號添加到當前進程的信號掩碼中，即阻塞SIGINT信號// 并保存原來的信號掩碼到old_mask中sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &old_mask);int cnt = 0;while(true){// 獲取當前進程的待處理信號集，并保存在pending中sigpending(&pending);// 調用pendingprint函數，打印待處理信號集中的信號pendingprint(pending);// 每次睡眠1秒鐘sleep(1);// 計數器，每次增加1if(++cnt == 5){// 在第20次循環時，解除阻塞SIGINT信號std::cout << "SIGINT UNLOCK" << std::endl;// 恢復之前的信號掩碼，即解除對SIGINT信號的阻塞sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL);}}std::cout << "QUIT..." << std::endl;return 0;
}
  • 代碼中我會每秒打印penging中的數據
  • 第三秒中的時候，像進程發送2好信號，penging中會顯示為處理的信號，在bolck中該信號被阻塞，也就是被屏蔽。
  • 代碼執行第五秒中的時候，進程阻塞信號解除，由于penging中有未處理的信號，就會執行2好號信號。

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信號的捕捉

信號捕捉的時機

  1. 進程是否正在執行系統調用。
  2. 進程是否在空閑狀態（如調用 sleep()）。
  3. 信號是否被發送。
  4. 信號是否被阻塞或保留直到適當時機。
  5. 信號是否導致進程退出或崩潰時處理。

信號執行的流程

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  • 用戶模式：進程在用戶模式下執行，直到某個信號因中斷、異常或系統調用被觸發。
  • 內核模式：當信號被觸發時，操作系統切換到內核模式，進行信號的處理。內核會完成信號的處理并準備將進程返回到用戶模式之前的狀態。
  • 信號處理：在信號處理過程中，內核會調用信號處理函數（如 do_signal()）。如果信號需要對用戶指定的特定處理，系統會在信號處理時調用相應的函數。
  • 處理返回：信號處理函數執行完畢后，操作系統會通過 sigreturn 系統調用返回到用戶模式。
  • 恢復執行：操作系統恢復用戶模式下的程序執行，從中斷的地方繼續執行。

用戶態和內核態的切換

用戶態到內核態：

  • 觸發方式：通過系統調用（如read(), write()）或硬件中斷（如鍵盤中斷）。
  • 過程：
    • 當用戶程序調用系統調用時，會執行一個軟中斷（例如x86的int 0x80指令）。
    • 內核會保存當前用戶程序的上下文（如程序計數器、堆棧指針等），并設置內核模式。
    • 進入內核代碼執行，執行完后，準備返回用戶態。

內核態到用戶態：

  • 觸發方式：內核任務完成后，需要返回用戶程序繼續執行。
  • 過程：
    • 內核將處理結果返回用戶進程，并恢復用戶進程的上下文。
    • 恢復用戶態的堆棧指針、程序計數器等寄存器，并將程序從內核模式切換回用戶模式。
    • 繼續執行用戶進程。

sigaction

  • sigaction是處理粒度更加強大的一個系統調用。

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int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
參數：
  • signum：指定信號的編號（例如，SIGINT、SIGTERM 等）。
  • act：指向 struct sigaction 結構體的指針，用于指定新的信號處理程序及其設置。
  • oldact：指向 struct sigaction 結構體的指針，用于保存之前的信號處理程序（可選）。如果不關心舊的處理程序，可以傳遞 NULL。
返回值：
  • 成功時，返回 0。
  • 失敗時，返回 -1 并設置 errno。
struct sigaction {void (*sa_handler)(int);   // 信號處理函數void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);  // 備用信號處理函數sigset_t sa_mask;           // 用于指定在信號處理期間要阻塞的信號int sa_flags;               // 信號處理行為的標志void (*sa_restorer)(void);  // 不常用，保留字段
};

代碼示例：

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<cstdlib>// 信號處理函數，當捕獲到信號時執行
void headler(int signo)
{// 輸出捕獲到的信號類型std::cout << "catch signal --- signo :" << signo << std::endl;sleep(4);// 退出程序，返回 1 作為退出狀態exit(1);
}int main()
{   // 定義 sigaction 結構體，用于設置新的信號處理行為 (sa) 和保存舊的信號處理行為 (osa)struct sigaction sa, osa;// 使用 memset 將結構體清零，確保結構體中的字段沒有未初始化的值memset(&sa, 0, sizeof(sa));memset(&osa, 0, sizeof(osa));// 清空信號集，準備設置信號屏蔽sigemptyset(&sa.sa_mask);// 將 SIGINT 信號添加到屏蔽信號集中，意思是處理 SIGINT 時，其他信號會被阻塞sigaddset(&sa.sa_mask, SIGINT);// 設置自定義的信號處理函數，當 SIGINT 信號觸發時，調用 headler 函數sa.sa_handler = headler;// 注冊信號處理函數，綁定 SIGINT 信號與信號處理函數 headler，同時保存原來的信號處理方式sigaction(SIGINT, &sa, &osa);// 進入一個無限循環，模擬進程運行while (true){// 輸出當前進程的 pid，表示進程正在運行std::cout << "Process Running ...: pid: " << getpid() << std::endl;// 每 1 秒輸出一次，模擬進程持續運行sleep(1);}return 0;
}

信號處理函數 headler：

  • 該函數定義了如何處理接收到的 SIGINT 信號。當捕獲到 SIGINT 信號時，會輸出信號編號，然后模擬處理過程（休眠 4秒），最后退出程序并返回狀態碼 1。

信號處理結構體 sigaction：

  • sigaction 是用來定義和控制信號處理方式的結構體。通過它可以設置信號的處理函數、信號掩碼等信息。
  • 通過 memset 清空結構體，確保沒有未初始化的字段。
  • 使用 sigemptyset 和 sigaddset 配置信號屏蔽集，指定在處理 SIGINT 時，阻塞其他信號（在本例中，僅阻塞 SIGINT 自身）。

sigaction 調用：

  • sigaction(SIGINT, &sa, &osa) 設置 SIGINT 信號的處理程序為 headler，并保存原來的信號處理方式（雖然在這里我們沒有使用 osa 來恢復原處理方式）。

進程運行：

  • 進入無限循環 while(true)，打印當前進程的 pid（進程 ID），模擬一個長時間運行的進程。
  • 每秒輸出一次進程信息，并通過 sleep(1) 使程序每秒鐘暫停一次。

信號捕獲時期的相關問題

  • 信號遞歸：信號處理期間默認屏蔽當前信號，避免遞歸調用。
void headler(int signo)
{int cnt  = 20;while(cnt --){std::cout << "catch signal --- signo :" << signo <<std:: endl;sleep(1);}exit(1);
}
  1. 在這里面headler方法進行循環,并且休眠一秒，在此期間持續像進發送2號信號。

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  1. 同時可以及逆行進行多信號屏蔽。
sigaddset(&sa.sa_mask,1);
sigaddset(&sa.sa_mask,3);
sigaddset(&sa.sa_mask,4);

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  • 信號丟失：如果信號未及時處理，可能丟失，尤其是長時間阻塞時。
  • 系統調用中斷：信號可能中斷系統調用，導致 EINTR 錯誤。
  • 信號屏蔽問題：如果未正確設置信號掩碼，可能導致信號被過多屏蔽或錯誤處理。

信號pending表的處理時機

  • 信號在調用處理方法之前會被制空
#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<cstdlib>// 聲明一個全局的 sigset_t 變量，用于保存掛起的信號
sigset_t pending;// 打印掛起信號的狀態（1表示掛起，0表示沒有掛起）
void PrintPending()
{sigset_t set;sigpending(&set);  // 獲取當前掛起的信號集合// 遍歷信號編號，打印每個信號的狀態for (int signo = 31; signo >= 1; signo--){if (sigismember(&set, signo))  // 檢查該信號是否在掛起集合中std::cout << "1";  // 如果掛起，打印 1elsestd::cout << "0";  // 如果沒有掛起，打印 0}std::cout << "\n";  // 輸出換行
}// 信號處理程序
void headler(int signo)
{int cnt = 5;  // 設置循環次數為 5while (cnt--)  // 每次處理信號時，循環 5 次{PrintPending();  // 打印當前掛起的信號狀態sleep(1);  // 休眠 1 秒，模擬信號處理的過程std::cout << "catch signal --- signo :" << signo << std::endl;  // 輸出捕獲到的信號編號}exit(1);  // 信號處理完畢后退出程序
}int main()
{signal(SIGINT, headler);  // 設置 SIGINT 信號的處理函數為 headlersigset_t mask, old_mask;sigemptyset(&mask);  // 初始化信號集 mask，清空所有信號sigaddset(&mask, SIGINT);  // 將 SIGINT 信號加入到 mask 中，表示屏蔽 SIGINT 信號sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &old_mask);  // 阻塞 SIGINT 信號，并保存原信號掩碼到 old_maskint cnt = 1;while (true){sigpending(&pending);  // 獲取當前掛起的信號PrintPending();  // 打印掛起信號的狀態sleep(1);  // 程序每秒輸出一次狀態cnt++;  // 計數器加 1std::cout << "Process Running ...: pid: " << getpid() << std::endl;  // 輸出當前進程的 PIDif (cnt % 5 == 0)  // 每經過 5 次循環{PrintPending();  // 再次打印掛起信號的狀態sleep(1);  // 休眠 1 秒std::cout << "SIGINT UNLOCK" << std::endl;  // 輸出解鎖 SIGINT 信號的提示sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL);  // 恢復原來的信號掩碼，解除對 SIGINT 的阻塞}}std::cout << "QUIT..." << std::endl;  // 輸出退出提示return 0;
}
  • 程序啟動后，會阻塞 SIGINT 信號。
  • 每秒鐘，程序打印當前進程的 PID 和掛起的信號狀態。
  • 每經過 5 次循環，解除對 SIGINT 信號的阻塞，允許信號被捕獲并處理。
  • 捕獲到 SIGINT 信號后，headler 會打印掛起信號狀態，處理信號并退出。

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