学习笔记9

知识点总结

　　本章讲述了信号和信号处理；介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看 待信号；将信号视为进程中断，将进程从正常执行转移到信号处理；解释了信号的来源，包 括来自硬件、异常和其他进程的信号；然后举例说明了信号在Unix/Linux中的常见用法； 详细解释了 Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程 PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤；用示例展示了如何安装信号捕捉器来处 理程序异常，如用户模式下的段错误；还讨论了将信号用作进程间通信（IPC）机制的适用 性。读者可借助该编程项目，使用信号和管道来实现用于进程交换信息的进程间通信机制。

信号和中断

　“中断”是从1/0设备或协处理器发送到CPU的外部请求，它将CPU从正常执行转移 到中断处理。与发送给CPU的中断请求一样，“信号”是发送给进程的请求，将进程从正常 执行转移到中断处理。在讨论信号和信号处理之前，我们先来回顾中断的概念和机制，这有 助于正确看待信号。

（1） 首先，我们将进程的概念概括为：一个“进程”（引号中）就是一系列活动。广义的 “进程”包括

・从事日常事务的人。

・在用户模式或内核模式下运行的Unix/Linux进程。

・执行机器指令的CPU。

（2） “中断”是发送给“进程”的事件，它将“进程”从正常活动转移到其他活动，称 为“中断处理”。“进程”可在完成“中断”处理后恢复正常活动。

（3） “中断” 一词可应用于任何“进程”，并不仅限于计算机中的CPU。例如，我们可能 会提到以下几种“中断”。

 

当我在办公室读书、评分、做白日梦时，可能会发生一些真实事件，比如：

真实事件	ID	动作函数
大楼着火了	1	马上离开
电话响了	2	拿起电话和打电话的人聊天
有人敲门	3	回答请进（或假装不在）
切到自己的手指	4	贴创可贴

 

所有这些事件都叫作人员中断，因为他们把人从正常活动转向“应对或处理中断”。处 理完中断后，此人可以继续此前的活动（如果这个人还活着而且仍然记得自己之前的活动）。 每个中断都分配有一个唯一的ID识别号，并有一个预先安装的动作函数，人可在收到中断 请求时“执行”动作函数。根据来源，中断可分为三类：

-来自硬件的中断：大楼着火，闹钟响了等。

•来自其他人的中断：电话响了，有人敲门等。

•自己造成的中断：切到手指，吃得太多等。

按照紧急程度，中断可分为以下几类：

不可屏蔽(NMI)：大楼着火！

-可屏蔽：有人敲门等。

人员的每个动作函数都是通过本能或经验实现的。由于人员中断的种类太多，所以不能 在上表中全部列出，但是思路应该清晰。

(3).2进程中断。

这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的 中断：

・来自硬件的中断：终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。

•来自其他进程的中断：kill(pid, SIG#)、death_of_child 等。

•自己造成的中断：除以0、无效地址等。

每个进程中断都被转换为一个唯一【D号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我 们始终可限制在一个进程中的中断的数量。Unix/Linux中的进程中断称为信号，编号为1到 3U进程的PROC结构体中有对应每个信号的动作函数，进程可在收到信号后执行该动作 函数。与人员类似，进程也可屏蔽某些类型的信号，以推迟处理。必要时，进程还可能会修 改信号动作函数。

(3) .3硬件中断。

这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源：

・来自硬件的中断：定时器、I/O设备等.

•来自其他处理器的中断：FFP. DMA、多处理器系统中的其他CPU。

・自己造成的中断：除以0、保护错误、INT指令。

毎个中断都有唯一的中断向量号。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。前面说 过，CPU始终执行一个进程。CPU不会导致任何自己造成的中断(除非出错)。这种中断是 由于进程正在使用或在大多数情况下误用CPU造成的。前一种情况包括INT n或等效指令， 使CPU从用户模式切换到内核模式。后一种情况包括CPU识别为异常的所有陷阱错误。因 此，我们可以排除CPU自身造成的中断，只留下CPU外部的中断。

(3) .4进程的陷阱错误。

进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的，例如除以 0.无效地址、非法指令、越权等。当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原 因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作 是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。我们会在后面学习到，进程可以用信号捕捉 器代替默认动作函数，允许它在用户模式下处理信号。如果在内核模式下发生陷阱’原因一 定是硬件错误，或者很可能是内核代码中的漏洞，在这种情况下，内核无法处理。在Unix/ Uinux中，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了°希望在下一个内核版本中可 以跟踪并修复这个问题。

 

Unix/Linux 信号示例

(1) 按"Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止。原因如下。“Ctrl+C”组合 键会生成一个键盘硬件中断。键盘中断处理程序将"Ctrl+C”组合键转换为SIGINT (2)信 号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输入的进程。在内核模式F,每个进程都要 检查和处理未完成的信号。进程对大多数信号的默认操作是调用内核的kexit(exitValue)函 数来终止-在Linux中，exitValue的低位字节是导致进程终止的信号编号。

(2) 用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程 仍将继续运行。nohup命令会使sh像往常一样复刻子进程来执行程序，但是子进程会忽略 S1GHUP ( 1 )信号。当用户退出时，sh会向与终端有关的所有进程发送一个S1GHUP信号。 后台进程在接收到这一信号后，会忽略它并继续运行。为防止后台进程使用终端进行I/O, 后台进程通常会断开与终端的连接(通过将其文件描述符0、1、2重定向到/dev/null),使 其完全不受任何面向终端信号的影响。

(3) 也许几天后，用户再次登录时会发现(通过ps-u LTD)后台进程仍在运行。用户 可以使用sh命令

kill pid (or kill -s 9 pid)

杀死该进程。方法如下。执行杀死的进程向pid标识的目标进程发送一个SIGTERM ( 15 ) 信号，请求它死亡。目标进程将会遵从请求并终止。如果进程选择忽略SIGTERM信号，它 可能拒绝死亡。在这种情况下，我们可以使用kill -s9pid,肯定能杀死它。因为进程不能修 改对9号信号的动作。读者可能会问，为什么是9号信号呢？在最初的Unix中，只有9个 信号。9号信号被保留为终止进程的终极手段。虽然后来的Unix/ Linux系统将信号编号扩 展到了 31,但是信号编号9的含义仍然保留了下来。

Unix/Linux中的信号处理

信号类型

Unix/Linux支持31种不同的信号，每种信号在signal.h文件中都有定义。

ftdefine	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
#dpfi np	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

 

每种信号都有一个符号名,如 SIGHUP ( 1 )、SIGEMT ( 2 )、SIGKILL ( 9 )、S1GSEGV (11)等。

信号的来源

・来自硬件中断的信号：在进程执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程。 硬件信号示例是

・中断键(Ctrl+C),它产生一个SIGINT ( 2 )信号。

■间隔定时器，当它的时间到期时，会生成一个SIGALRM ( 14 ) .SIGVTALRM ( 26 ) 或 SIGPROF ( 27 )信号。

-其他硬件错误，如总线错误、IO陷阱等。

・来自异常的信号：当用户模式下的进程遇到异常时，会陷入内核模式，生成一个信 号，并发送给自己。常见的陷阱信号有SIGFPE ( 8 ),表示浮点异常(除以0),最常 见也是最可怕的是SIGSEGV (11),表示段错误，等等。

・来自其他进程的信号：进程可使用kill(pid, sig)系统调用向pid标识的目标进程发送 信号。读者可以尝试以下实验。在LinuxT,运行简单的C程序

main()( while(1>; }

使进程无限循环。从另一个(X-window)终端，使用ps-u查找循环进程pid。然后 输入sh命令

kill -s 11 pid

循环进程会因为段错误而死亡。读者可能会问：这怎么可能呢？所有进程都在一个 While(l)循环中执行，它是如何产生段错误的呢？答案是：这并不重要。当某进程被 某个信号终止时，它的exitValue就包含这个信号编号。父进程sh只是将死亡子进程 的信号编号转换为一个错误字符串，不管它是什么。

进程PROC结构体中的信号

每个进程PROC都有一个32位向量，用来记录发送给进程的信号。在位向量中，每一 位(0位除外)代表一个信号编号。此外，它还有一个信号MASK位向量，用来屏蔽相应的 信号。可使用一系列系统调用，如sigmasks sigsetmask, siggetmask. sigblock等设置、清

 

除和检查MASK位向量。待处理信号只在未被屏蔽的情况下才有效。这样可以让进程延迟 处理被屏蔽的信号，类似于CPU屏蔽某些中断。

信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组int sig[32]_o sig[32]数组的每个条目都指定了如 何处理相应的信号，其中0表示DEFault (默认)，1表示IGNore (忽略)，其他非零值表示 用户模式下预先安装的信号捕捉(处理)函数。图6.1给岀了信号位向量、屏蔽位向量和信 号处理函数。

	31 30 I 1 0
signal bits	111• • 11 1 . .11 I 0=no signalzl^signal
signal masks	111. . |0 | . .||| 0=no BLOCK, 1=BLOCK
signal handler	111• . 10 |.||| 0=DEFault, l=IGNore other=catcher address

图6.1信号处理示意图

如果信号位向量中的位1为1,则会生成一个信号I或将其发送给进程。如果屏蔽位向 量的位I为1,则信号会被阻塞或屏蔽、否则，信号未被阻塞一只有当信号存在并且未被阻 塞时，信号才会生效或传递给进程。当内核模式下的进程发现一个未阻塞信号时，会将信号 位清除为0,并尝试通过信号处理数组中的处理函数来处理该信号。0表示DEFault. 1表示 IGNore,其他数值表示用户空间内预先安装的捕捉函数。

安装信号捕捉函数

进程可使用系统调用：

int r = signal(int signal_numberr void *handler)；

 来修改选定信号编号的处理函数，SIGK1LL ( 9 )和SIGSTOP ( 19)除外，它们不能修改。 已安装的处理函数(若不是0或I ) 一定是以下形式用户空间中信号捕捉函数的入口地址：

void catcher (int signal_nujnber) (  }

signal()系统调用在所有类Unix系统中均可用，但它有一些不理想的特点「

(1 )在执行已安装的信号捕捉函数之前，通常将信号处理函数重置为DEFault。为捕捉 下次出现的相同信号，必须重新安装捕捉函数。这可能会导致下一个信号和信号处理函数重 新安装之间出现竞态条件：相反，sigaction()在执行当前捕捉函数时会自动阻塞下 个信号， 因此不会出现竟态条件。

(2 ) signal()不能阻塞其他信号。必要时，用户必须使用sigprocmask。显式地阻塞或解 锁其他信号。相反，sigaction()可以指定要阻塞的其他信号”

(3) signal。只能向捕捉函数发送一个信号编号。sigaction ()可以传输关于信号的其他 信息。

(4) signal()可能不适用于多线程程序中的线程。sigaction ()适用于线程。

(5 )不同Unix版本的signal。可能会有所不同。sigaction()釆用的是POISX标准，可 移植性更好。

由于这些原因，signal()已经被POSIX sigaction()函数所代替。在Linux (Bovet和Cesati 2005 )中，sigaction()是一个系统调用。它的原型是：

int sigaction (int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

 sigaction结构体的定义为；

struct sigaction{

void (*sa_handler)(int);

void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);

sigset_t sa_mask；

int sa_flags;

void (*sa_restorer)(void);

其中最重要的字段是：

• sa_handler :该字段是指向处理函数的指针，该函数与signal()的处理函数有相同的 原型。
• sa_sigaction：该字段是运行信号处理函数的另一种方法。它的信号编号旁边有两个额 外参数，其中siginfo t *提供关于所接收信号的更多信息。

・sa_mask：可在处理函数执行期间设置要阻塞的信号。

• sa_flags :可修改信号处理进程的行为。若要使用sa_sigaction处理函数，必须将sa_ flags 设置为 SA_SIGINFO。

如需了解有关sigaction结构体字段的详细描述，请参见sigaction手册页。下面是一个 使用sigaction()系统调用的简单示例。

示例6.1: sigaction()的使用示例。

/****** sigaction.c file *******/

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <signal.h>

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)

{

printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d\n",

sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid);

)

int main(int argc, char *argv[])

(

struct sigaction act;

memset(&act, 0, sizeof(act));

act.sa_sigaction = &handler；

act.sa_flags = SA_SIGINFO; sigaction(SIGTERM, &act, NULL);

printf("proc PID=%d looping\n"); printf (''enter kill PID Co send SIGTERM signal to it\n", getpid()); whiled)(

sleep (10);

在程序运行时，读者可从另一个X终端输入kill PID,向进程发送一个SIGTERM (15) 信号。任何信号都会唤醒进程，即使它处于睡眠状态，也能够处理该信号。在信号处理函数 中，我们从siginfo参数中读取两个字段来显示信号发送者的PID和UID,如果信号处理函 数是由signal()系统调用安装的，则这两个字段不可用。

进程可使用信号调用

int r = kill(pid, signal_number);

向pid标识的另一个进程发送信号。Sh命令

kill -s signal_number pid

使用kill系统调用。通常，只有相关进程，例如有相同uid的进程，才会相互发送信号。但 是，超级用户进程(uid=o )可以向任意进程发送信史kill系统调用使用一个无效pid来表 示传递信号的方式不同，例如，pid=o表示向同一进程组中的所有进程发送信号、pid=-i表 示向pid > 1的所有进程发送信号等 读者可参考Linux手册页，以了解关于signal/kill的更 多详细信息一

信号处理步骤

(1 )当某进程处于内核模式时，会检査信号并处理未完成的信号，如果某信号有用户安 装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安 装的捕捉函数重置为DEFault,,然后，它会在用户模式下返回，以执行捕捉函数，以这种方 式篡改返回路径当捕捉函数结束时.它会返间到最初的中断点，即它最后进入内核模式的 地方 因此，该进程会先迂回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。

(2) 重置用户安装的信号捕捉函数：用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代 码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误如 果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃：为了防止这 种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为DEFault这意 味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效若要捕捉再次出现的同-信号，则必须 重新安装捕捉函数°但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同Unix 版本中会有所不同.例如，在BSD Unix中，信号处理函数不会被重置.但是该信号在执行 信号捕捉函数时会被阻塞，感兴趣的读者•可参考关于Linux信号和sigaction函数的手册页， 以了解更多详细侑息

(3) 信号和喚醒：在U nix/Linux内核中有两种SLEEP进程；深度休眠进程和浅度休 眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的 SLEEP状态，到达的信号(必须来自硬件中断或其他进程)不会唤醒进程一如果它处于可中 断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它:例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优 先级休眠.这种休眠是可中断的.S1G1NT这类信号即可唤輩它

 

信号与异常

Unix信号最初设计用于以下用途。

•作为进程异常的统一处理方法：当进程遇到异常时，它会陷入内核模式，将陷阱原因 转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在内核模式下发生异常，内核只打印一 条PANIC错误消息，然后就停止了。如果在用户模式下发生异常，则进程通常会终 止，并以内存转储进行调试。

•让进程通过预先安装的信号捕捉函数处理用户模式下的程序错误。这类似于MVS [IBM MVS]中的 ESPIE 宏。

・在特殊情况下，它会让某个进程通过信号杀死另一个进程。注意，这里所说的杀死并 不是直接杀死某个进程.而只是向目标进程发出“死亡”请求 为什么我们不直接杀 死某个进程呢？我们鼓励读者思考其中的原因(提示：瑞士银行有大量无人认领的 匿名账户。)

信号用作IPC

在许多操作系统的书籍中，信号被归类为进程间的通信机制.基本原理是-个进程可以 向另一个进程发送信号，使它执行预先安装的信号处理函数。由于以F原因，这种分类即使 不算不恰当也颇具争议。

-该机制并不可靠，因为可能会丢失信号。每个信号由位向量中的一个位表示，只能记 录一个信号的一次岀现.如果某个进程向另一个进程发送两个或多个相同的信号，它 们可能只在接收PROC中出现一次。实时信号被放入队列，并保证按接收顺序发送， 但操作系统内核可能不支持实时信号。

・竞态条件：在处理信号之前，进程通常会将信号处理函数重置为DEFault。要想捕捉 同一信号的再次出现，进程必须在该信号再次到来之前重新安装捕捉函数。否则，下 一个信号可能会导致该进程终止。在执行信号捕捉函数时，虽然可以通过阻塞同一信 号来防止竞态条件，但是无法防止丢失信号.

•大多数信号都有预定义的含义。不加区别地任意使用信号不仅不能达到通信的目的， 反而会造成混乱。例如，向循环进程发送SIGSEGV (11)段错误信号，就像对水里游 泳的人大喊：“你的裤子着火了！"

因此，试图将信号用作进程间通信手段实际上是对信号预期用途的过度延伸.应避免出 现这种情况

示例6.2 :段错误捕捉函数 正如第2章中所指出的，C语言程序中最常见的段错误的 原因是解除空指针或无效指针关联、数组越界等。当某进程遇到无效内存异常时，它会陷 入操作系统内核，生成SIGSEGV (II)信号，并发送给自己。SIGSEGV信号的默认处理函 数是0,将导致进程终止。如果进程忽略该信号，它会再次返回同一错误指令，导致无限循 环。若用户已经安装了 SIGSEGV信号的捕捉函数，进程会执行信号捕捉函数，但是在执行 结束后仍会返回同一错误指令。在任何段错误情况下，进程的唯一选择似乎只能是异常终 止。本示例说明了如何使用信号捕捉函数和long jump来绕过导致段错误的程序代码，使程 序继续执行或正常终止。

/********** t7・c file **********/

<stdio.h>

<stdlib.h> <unistd.h> <signal.h> <setjmp.h>

jmp_buf env; // for saving longjmp environment int count = 0;

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)

{

printf ("handler： sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n", sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count)； if (count >= 4) // let it occur up to 4 times

longjmp(env, 1234);

int BAD()

(

int *ip = 0;

printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n")；

*ip = 123;// dereference a NULL pointer

printf("should not see this line\n")；

 

实践练习

运行书中代码：

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

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
    printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d\n",sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = &handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigaction(SIGTERM, &act, NULL);
    printf("proc PID=%d looping\n");
    printf ("enter kill PID to send SIGTERM signal to it\n", getpid());
    while(1)
    {
      sleep (10);
    }
}

 结果：

 

问题与解决

遇到的问题：linux操作系统当中信号来源有哪些方式？

解决：通过查找csdn可查得如下资料：

1、  硬件方式

当用户在终端上按下某键时，将产生信号。如按下组合键后将产生一个SIGINT信号。

硬件异常产生信号：除数据、无效的存储访问等。这些事件通常由硬件(如:CPU)检测到，并将其通知给Linux操作系统内核，然后内核生成相应的信号，并把信号发送给该事件发生时正在进行的程序。

2、  软件方式

用户在终端下调用kill命令向进程发送任务信号。

进程调用kill或sigqueue函数发送信号。

当检测到某种软件条件已经具备时发出信号，如由alarm或settimer设置的定时器超时时将生成SIGALRM信号。

 csdn链接：https://blog.csdn.net/zhangchaoq/article/details/51201979?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~baidujs_baidulandingword~default-0.no_search_link&spm=1001.2101.3001.4242.1