✨1. 阻塞信号

💫1.1 信号其他相关概念

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达Delivery。
• 信号从产生到递达之间的状态称为信号未决pending。
• 进程可以选择阻塞Block某个信号。
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态直到进程解除对此信号的阻塞才执行递达的动作。
• 需要注意的是阻塞和忽略是不同的只要信号被阻塞就不会递达而忽略是在递达之后的一种处理动作。

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💫1.2 在内核中的表示

信号在内核中的表示示意图如下

• 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
• SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
• SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。这里只讨论普通信号。

总结

• 在block位图中比特位的位置代表某一个信号比特位的内容代表该信号是否被阻塞。
• 在pending位图中比特位的位置代表某一个信号比特位的内容代表是否收到该信号。
• handler表本质上是一个函数指针数组数组的下标代表某一个信号数组的内容代表该信号递达时的处理动作处理动作包括默认、忽略以及自定义。
• block、pending和handler这三张表的每一个位置是一一对应的。

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💫1.3 sigset_t

根据信号在内核中的表示方法每个信号的未决标志只有一个比特位非0即1如果不记录该信号产生了多少次那么阻塞标志也只有一个比特位。

因此未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储。在我当前的云服务中sigset_t类型的定义如下不同操作系统实现sigset_t的方案可能不同

#define _SIGSET_NWORDS (1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))
typedef struct
{
	unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];
} __sigset_t;

typedef __sigset_t sigset_t;

sigset_t称为信号集这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态。

• 在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞。
• 在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。

阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字Signal Mask这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

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💫1.4 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统的实现从使用者的角度是不必关心的使用者只能调用以下函数来操作sigset_t变量而不应该对它的内部数据做任何解释比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);

int sigfillset(sigset_t *set);

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);  

函数解释

• sigemptyset函数初始化set所指向的信号集使其中所有信号的对应bit清零表示该信号集不包含任何有效信号。
• sigfillset函数初始化set所指向的信号集使其中所有信号的对应bit置位表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
• sigaddset函数在set所指向的信号集中添加某种有效信号。
• sigdelset函数在set所指向的信号集中删除某种有效信号。
• sigemptyset、sigfillset、sigaddset和sigdelset函数都是成功返回0出错返回-1。
• sigismember函数判断在set所指向的信号集中是否包含某种信号若包含则返回1不包含则返回0调用失败返回-1。

注意 在使用sigset_t类型的变量之前一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化使信号处于确定的状态。

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

int main()
{
	sigset_t s; //用户空间定义的变量

	sigemptyset(&s);

	sigfillset(&s);

	sigaddset(&s, SIGINT);

	sigdelset(&s, SIGINT);

	sigismember(&s, SIGINT);
	return 0;
}

代码中定义的sigset_t类型的变量s与我们平常定义的变量一样都是在用户空间定义的变量所以后面我们用信号集操作函数对变量s的操作实际上只是对用户空间的变量s做了修改并不会影响进程的任何行为。因此我们还需要通过系统调用才能将变量s的数据设置进操作系统。

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💫1.5 sigprocmask

sigprocmask函数可以用于读取或更改进程的信号屏蔽字阻塞信号集该函数的函数原型如下

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

参数说明

• 如果oset是非空指针则读取进程当前的信号屏蔽字通过oset参数传出。
• 如果set是非空指针则更改进程的信号屏蔽字参数how指示如何更改。
• 如果oset和set都是非空指针则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。

假设当前的信号屏蔽字为mask下表说明了how参数的可选值及其含义

选项	含义
SIG_BLOCK	set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号相当于mask=mask｜set
SIG_UNBLOCK	set包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号相当于mask=mask｜~set
SIG_SETMASK	设置当前信号屏蔽字为set所指向的值相当于mask=set

返回值说明sigprocmask函数调用成功返回0出错返回-1。

注意 如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞则在sigprocmask函数返回前至少将其中一个信号递达。

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💫1.6 sigpending

sigpending函数可以用于读取进程的未决信号集该函数的函数原型如下

int sigpending(sigset_t *set);

sigpending函数读取当前进程的未决信号集并通过set参数传出。该函数调用成功返回0出错返回-1。

下面我们来做一个简单的实验

1. 先用上述的函数将2号信号进行屏蔽阻塞。
2. 使用kill命令或组合按键向进程发送2号信号。
3. 此时2号信号会一直被阻塞并一直处于pending未决状态。
4. 使用sigpending函数获取当前进程的pending信号集进行验证。

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

using namespace std

void printPending(sigset_t *pending)
{
	int i = 1;
	for (i = 1; i <= 31; i++){
		if (sigismember(pending, i)){
			printf("1 ");
		}
		else{
			printf("0 ");
		}
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	sigset_t set, oset;
	sigemptyset(&set);
	sigemptyset(&oset);

	sigaddset(&set, 2); //SIGINT
	sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oset); //阻塞2号信号

	sigset_t pending;
	sigemptyset(&pending);

	while (1){
		sigpending(&pending); //获取pending
		printPending(&pending); //打印pending位图1表示未决
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

可以看到程序刚刚运行时因为没有收到任何信号所以此时该进程的pending表一直是全0而当我们使用kill命令向该进程发送2号信号后由于2号信号是阻塞的因此2号信号一直处于未决状态所以我们看到pending表中的第二个数字一直是1。

为了看到2号信号递达后pending表的变化我们可以设置一段时间后自动解除2号信号的阻塞状态解除2号信号的阻塞状态后2号信号就会立即被递达。因为2号信号的默认处理动作是终止进程所以为了看到2号信号递达后的pending表我们可以将2号信号进行捕捉让2号信号递达时执行我们所给的自定义动作。

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


void printPending(sigset_t *pending)
{
	int i = 1;
	for (i = 1; i <= 31; i++){
		if (sigismember(pending, i)){
			printf("1 ");
		}
		else{
			printf("0 ");
		}
	}
	printf("\n");
}
void handler(int signo)
{
	printf("handler signo:%d\n", signo);
}
int main()
{
	signal(2, handler);
	sigset_t set, oset;
	sigemptyset(&set);
	sigemptyset(&oset);

	sigaddset(&set, 2); //SIGINT
	sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oset); //阻塞2号信号

	sigset_t pending;
	sigemptyset(&pending);

	int count = 0;
	while (1){
		sigpending(&pending); //获取pending
		printPending(&pending); //打印pending位图1表示未决
		sleep(1);
		count++;
		if (count == 20){
			sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL); //恢复曾经的信号屏蔽字
			printf("恢复信号屏蔽字\n");
		}
	}
	return 0;
}

此时就可以看到进程收到2号信号后该信号在一段时间内处于未决状态当解除2号信号的屏蔽后2号信号就会立即递达执行我们所给的自定义动作而此时的pending表也变回了全0。

在解除2号信号后2号信号的自定义动作是在打印“恢复信号屏蔽字”之前执行的。因为如果调用sigprocmask解除对当前若干个未决信号的阻塞则在sigprocmask函数返回前至少将其中一个信号递达。

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✨2. 捕捉信号

💫2.1 内核空间与用户空间

每一个进程都有自己的进程地址空间该进程地址空间由内核空间和用户空间组成

• 用户所写的代码和数据位于用户空间通过用户级页表与物理内存之间建立映射关系。
• 内核空间存储的实际上是操作系统代码和数据通过内核级页表与物理内存之间建立映射关系。

内核级页表是一个全局的页表它用来维护操作系统的代码与进程之间的关系。因此在每个进程的进程地址空间中用户空间是属于当前进程的每个进程看到的代码和数据是完全不同的但内核空间所存放的都是操作系统的代码和数据所有进程看到的都是一样的内容。

需要注意的是虽然每个进程都能够看到操作系统但并不意味着每个进程都能够随时对其进行访问。

• 如何理解进程切换

1. 在当前进程的进程地址空间中的内核空间找到操作系统的代码和数据。
2. 执行操作系统的代码将当前进程的代码和数据剥离下来并换上另一个进程的代码和数据。

注意 当你访问用户空间时你必须处于用户态当你访问内核空间时你必须处于内核态。

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💫2.2 内核态与用户态

内核态与用户态

• 内核态通常用来执行操作系统的代码是一种权限非常高的状态。
• 用户态是一种用来执行普通用户代码的状态是一种受监管的普通状态。

进程收到信号之后并不是立即处理信号而是在合适的时候从内核态切换回用户态的时候。

内核态和用户态之间是进行如何切换的

从用户态切换为内核态通常有如下几种情况

• 需要进行系统调用时。
• 当前进程的时间片到了导致进程切换。
• 产生异常、中断、陷阱等。

与之相对应从内核态切换为用户态有如下几种情况

• 系统调用返回时。
• 进程切换完毕。
• 异常、中断、陷阱等处理完毕。

其中由用户态切换为内核态我们称之为陷入内核。每当我们需要陷入内核的时本质上是因为我们需要执行操作系统的代码比如系统调用函数是由操作系统实现的我们要进行系统调用就必须先由用户态切换为内核态。

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💫2.3 内核如何实现信号的捕捉

我们在执行主控制流程的时候可能因为某些情况而陷入内核当内核处理完毕准备返回用户态时就需要进行信号pending的检查。此时仍处于内核态有权力查看当前进程的pending位图

在查看pending位图时如果发现有未决信号并且该信号没有被阻塞那么此时就需要该信号进行处理。

如果待处理信号的处理动作是默认或者忽略则执行该信号的处理动作后清除对应的pending标志位如果没有新的信号要递达就直接返回用户态从主控制流程中上次被中断的地方继续向下执行即可。

但如果待处理信号是自定义捕捉的即该信号的处理动作是由用户提供的那么处理该信号时就需要先返回用户态执行对应的自定义处理动作执行完后再通过特殊的系统调用sigreturn再次陷入内核并清除对应的pending标志位如果没有新的信号要递达就直接返回用户态继续执行主控制流程的代码。

注意 sighandler和main函数使用不同的堆栈空间它们之间不存在调用和被调用的关系是两个独立的控制流程。

当待处理信号是自定义捕捉时的情况比较复杂可以借助无穷进行记忆

其中该图形与直线有几个交点就代表在这期间有几次状态切换而箭头的方向就代表着此次状态切换的方向图形中间的圆点就代表着检查pending表。

当识别到信号的处理动作是自定义时能直接在内核态执行用户空间的代码吗

理论上来说是可以的因为内核态是一种权限非常高的状态但是绝对不能这样设计。

如果允许在内核态直接执行用户空间的代码那么用户就可以在代码中设计一些非法操作比如清空数据库等虽然在用户态时没有足够的权限做到清空数据库但是如果是在内核态时执行了这种非法代码那么数据库就真的被清空了因为内核态是有足够权限清空数据库的。

也就是说不能让操作系统直接去执行用户的代码因为操作系统无法保证用户的代码是合法代码即操作系统不信任任何用户。

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💫2.4 sigaction

捕捉信号除了用前面用过的signal函数之外我们还可以使用sigaction函数对信号进行捕捉sigaction函数的函数原型如下

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

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作该函数调用成功返回0出错返回-1。

参数说明

• signum代表指定信号的编号。
• 若act指针非空则根据act修改该信号的处理动作。
• 若oldact指针非空则通过oldact传出该信号原来的处理动作。

其中参数act和oldact都是结构体指针变量该结构体的定义如下

struct sigaction {
	void(*sa_handler)(int);
	void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
	sigset_t   sa_mask;
	int        sa_flags;
	void(*sa_restorer)(void);
};

结构体的第一个成员sa_handler

• 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction函数表示忽略信号。
• 将sa_handler赋值为常数SIG_DFL传给sigaction函数表示执行系统默认动作。
• 将sa_handler赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号或者说向内核注册了一个信号处理函数。

所注册的信号处理函数的返回值为void参数为int通过参数可以得知当前信号的编号这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然这是一个回调函数不是被main函数调用而是被系统所调用。

结构体的第二个成员sa_sigaction

• sa_sigaction是实时信号的处理函数。

结构体的第三个成员sa_mask

首先需要说明的是当某个信号的处理函数被调用内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字这样就保证了在处理某个信号时如果这种信号再次产生那么它会被阻塞到当前处理结束为止。

结构体的第四个成员sa_flags

• sa_flags字段包含一些选项这里直接将sa_flags设置为0即可。

结构体的第五个成员sa_restorer

• 该参数没有使用。

下面我们用sigaction函数对2号信号进行了捕捉将2号信号的处理动作改为了自定义的打印动作并在执行一次自定义动作后将2号信号的处理动作恢复为原来默认的处理动作。

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

struct sigaction act, oact;
void handler(int signo)
{
	printf("get a signal:%d\n", signo);
	sigaction(2, &oact, NULL);
}
int main()
{
	memset(&act, 0, sizeof(act));
	memset(&oact, 0, sizeof(oact));

	act.sa_handler = handler;
	act.sa_flags = 0;
	sigemptyset(&act.sa_mask);

	sigaction(2, &act, &oact);
	while (1){
		printf("I am a process...\n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

运行代码后第一次向进程发送2号信号执行我们自定义的打印动作当我们再次向进程发送2号信号就执行该信号的默认处理动作了即终止进程。

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✨3. 可重入函数

下面主函数中调用insert函数向链表中插入结点node1某信号处理函数中也调用了insert函数向链表中插入结点node2乍眼一看好像没什么问题。

下面我们来分析一下对于下面这个链表。

1、首先main函数中调用了insert函数想将结点node1插入链表但插入操作分为两步刚做完第一步的时候因为硬件中断使进程切换到内核再次回到用户态之前检查到有信号待处理于是切换到sighandler函数。

2、而sighandler函数中也调用了insert函数将结点node2插入到了链表中插入操作完成第一步后的情况如下

3、当结点node2插入的两步操作都做完之后从sighandler返回内核态此时链表的布局如下

4、再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行即继续进行结点node1的插入操作。

最终结果是main函数和sighandler函数先后向链表中插入了两个结点但最后只有node1结点真正插入到了链表中而node2结点就再也找不到了造成了内存泄漏。

像上例这样insert函数被不同的控制流调用main函数和sighandler函数使用不同的堆栈空间它们之间不存在调用与被调用的关系是两个独立的控制流程有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数我们将这种现象称之为重入。

而insert函数访问一个全局链表有可能因为重入而造成错乱像这样的函数我们称之为不可重入函数反之如果一个函数只访问自己的局部变量或参数则称之为可重入Reentrant函数。

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的

1. 调用了malloc或free因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
2. 调用了标志I/O库函数因为标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

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✨4. volatile

volatile是C语言的一个关键字该关键字的作用是保持内存的可见性。

在下面的代码中我们对2号信号进行了捕捉当该进程收到2号信号时会将全局变量flag由0置1。也就是说在进程收到2号信号之前该进程会一直处于死循环状态直到收到2号信号时将flag置1才能够正常退出。

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

int flag = 0;

void handler(int signo)
{
	printf("get a signal:%d\n", signo);
	flag = 1;
}
int main()
{
	signal(2, handler);
	while (!flag);
	printf("Proc Normal Quit!\n");
	return 0;
}

该程序的运行过程好像都在我们的意料之中但实际并非如此。代码中的main函数和handler函数是两个独立的执行流而while循环是在main函数当中的在编译器编译时只能检测到在main函数中对flag变量的使用。

此时编译器检测到在main函数中并没有对flag变量做修改操作在编译器优化级别较高的时候就有可能将flag设置进寄存器里面。

此时main函数在检测flag时只检测寄存器里面的值而handler执行流只是将内存中flag的值置为1了那么此时就算进程收到2号信号也不会跳出死循环。

面对这种情况我们就可以使用volatile关键字对flag变量进行修饰告知编译器对flag变量的任何操作都必须真实的在内存中进行即保持了内存的可见性。

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

volatile int flag = 0;

void handler(int signo)
{
	printf("get a signal:%d\n", signo);
	flag = 1;
}
int main()
{
	signal(2, handler);
	while (!flag);
	printf("Proc Normal Quit!\n");
	return 0;
}

此时就算我们编译代码时携带-O3选项当进程收到2号信号将内存中的flag变量置1时main函数执行流也能够检测到内存中flag变量的变化进而跳出死循环正常退出。

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✨5. volatile

为了避免出现僵尸进程父进程需要使用wait或waitpid函数等待子进程结束父进程可以阻塞等待子进程结束也可以非阻塞地查询的是否有子进程结束等待清理即轮询的方式。采用第一种方式父进程阻塞就不能处理自己的工作了采用第二种方式父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下程序实现复杂。

其实子进程在终止时会给父进程发生SIGCHLD信号该信号的默认处理动作是忽略父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理动作这样父进程就只需专心处理自己的工作不必关心子进程了子进程终止时会通知父进程父进程在信号处理函数中调用wait或waitpid函数清理子进程即可。

例如下面代码中对SIGCHLD信号进行了捕捉并将在该信号的处理函数中调用了waitpid函数对子进程进行了清理。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int signo)
{
	printf("get a signal: %d\n", signo);
	int ret = 0;
	while ((ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0){
		printf("wait child %d success\n", ret);
	}
}
int main()
{
	signal(SIGCHLD, handler);
	if (fork() == 0){
		//child
		printf("child is running, begin dead: %d\n", getpid());
		sleep(3);
		exit(1);
	}
	//father
	while (1);
	return 0;
}

• SIGCHLD属于普通信号记录该信号的pending位只有一个如果在同一时刻有多个子进程同时退出那么在handler函数当中实际上只清理了一个子进程因此在使用waitpid函数清理子进程时需要使用while不断进行清理

• 使用waitpid函数时需要设置WNOHANG选项即非阻塞式等待否则当所有子进程都已经清理完毕时由于while循环会再次调用waitpid函数此时就会在这里阻塞住。

此时父进程就只需专心处理自己的工作不必关心子进程了子进程终止时父进程收到SIGCHLD信号会自动进行该信号的自定义处理动作进而对子进程进行清理。

事实上由于UNIX的历史原因要想不产生僵尸进程还有另外一种办法父进程调用signal或sigaction函数将SIGCHLD信号的处理动作设置为SIG_IGN这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉不会产生僵尸进程也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用signal或sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的但这是一个特列。此方法对于Linux可用但不保证在其他UNIX系统上都可用。

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