Linux：进程信号---信号的保存与处理

• 序：在上一章中，我们对信号的概念及其识别的底层原理有了一定认识，也知道了信号产生的五种方式，以及core dump是什么，而本章将着重对信号的保存与处理进行讲解，去深入了解信号处理的底层逻辑，去了解什么是用户态和内核态，以及用户态和内核态转换的时机，本章还会浅谈可重入函数以及Volatile关键字

1. 信号的保存

1.1 信号的状态管理

对于普通信号而言，对于进程（是给进程的PCB发）而言，要识别自己有没有收到信号，以及收到了哪一个信号。

task_struct{
int signal；// 0000 ...... 0000普通信号，位图管理信号
}

1. 比特位的内容是0还是1，表明是否收到
2. 比特位的位置（第几个），表明信号的编号
3. 所谓的 “发信号” ，本质就是操作系统去修改task_struct的信号位图对应的比特位（写信号！！！）

问题一：信号为什么要保存？

进程收到信号之后，可能不会立即处理这个信号。此时信号不会被处理，就要有一个时间窗口。信号的范围[1,31],每一种信号都要有自己的一种处理方法.

信号的几种状态：

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.
注意,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可选的一种处理动作。

信号在内核中的表示示意图：

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。本章不讨论实时信号。

sigpending函数：

其中的set参数是一个输出型参数，他会将当前的pending表传出。

sigprocmask函数：

第一个参数how：

参数	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
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
SIG_SETMASK	设置当前信号屏蔽字为set所指向的值

第二个参数：表示要传入的block阻塞表
第三个参数：表示之前的block旧表

问题二：我要是将所以信号都进行屏蔽，信号不就不会被处理了吗？

然而操作系统不会给你这个机会的，比如9号信号和19号信号，用户就屏蔽不了

2. 信号的处理

2.1 用户态与内核态

问题一：信号是什么时候被处理的？

当我们的进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号好的检测和处理

当我们在调用系统调用时，操作系统会将我们的用户身份转化为内核身份，然后由操作系统帮我把函数执行完，返回时，再把我的内核身份换回用户身份 ------ 操作系统是自动会做“身份”切换的，用户身份变成内核身份，或者反着来！

问题二：什么是用户态和内核态？

内核态：允许你访问操作系统的代码和数据
用户态：只能访问用户自己的代码和数据

2.2 信号处理和捕捉的内核原理

问题三：信号是如何被处理的？

操作系统不信任用户，不仅仅体现在不让用户访问自己，也体现在操作系统不会访问用户自己写的代码！！！所以当在内核态处理信号时，会先将该信号的pending置0，然后去执行，要是执行到了自定义行为，那么进程就要先由内核状态转化为用户态，去执行这个自定义行为，然后再变为内核态继续在操作系统中执行系统操作，然后再回到用户态，返回值。（基于用户捕捉代码）

问题四：内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函 数,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。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。 如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

在这个过程中，一共发生了四次状态的转换，所谓的信号的识别，其实就是在进程进入内核态时，顺手完成的任务。CPU内部的信号int 80（是一条汇编语句） 从用户态陷入内核态，这样就有权利去访问操作系统的数据了。

2.3 sigaction函数

sigaction函数：

sigaction结构体：

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

由于我们目前只研究普通信号，所以，该结构体当中的第二、第四和第五个参数我们不做讨论，感兴趣的小伙伴可以自行去搜索。
该函数的第一个参数是要处理的信号数字，第二个参数表示要传入的sigaction结构体，第三个参数是输出型参数，他会保存上一次的sigaction结构体的数据。

直观的代码和运行结果能让我们直接看到这个函数的作用：

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>using namespace std;void PrintPending()
{sigset_t myset;sigpending(&myset);for(int signo=31;signo>=1;signo--){if(sigismember(&myset,signo)){cout<<"1";}else{cout<<"0";}}cout<<endl;
}void handler(int signo)
{while(true){PrintPending();cout<<"signal : "<<signo<<" acted"<<endl;sleep(1);}
}int main()
{signal(SIGINT,handler);struct sigaction myset,oset;memset(&myset,0,sizeof(myset));memset(&myset,0,sizeof(oset));//sigemptyset(&myset.sa_mask);//sigaddset(&myset.sa_mask,SIGINT);myset.sa_handler=handler;sigaction(SIGINT,&myset,&oset);while(true){cout<<"i am process: "<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

运行结果如下：

由上图可知，在处理某个信号之前，该信号的pending表对应的值会先置0，然后才会执行对应的处理行动。

总结：如果某个信号正在进行处理，那么，在这个期间，这个信号的信号屏蔽字将会变成1，此时，无论外界再发送多少个该信号，都不会执行，只会将该信号对应的pending表中的值置1，但是不是执行，因为此时该信号已经阻塞了，这就防止了当该信号处理时，被重复执行，之后当这个信号处理完毕，才会取消阻塞，然后继续执行之前发的信号，并在信号执行期间继续阻塞该信号！！！

3. 可重入函数

当我们执行insert函数时，进行到一半，执行完p->next=head;语句后，触发了信号，执行此时信号中也有insert函数，然后执行信号中的insert，执行信号处理后，再继续执行main函数中的语句head=p;此时，由于函数重入，引发节点丢失，导致内存泄漏！！！

如果一个函数，被重复进入的情况下，出错了，或者可能出错，就叫做不可重入函数。否则就叫做可重入函数。

4. Volatile

在g++中是有优化选项的，编译器在编译的时候，有不同的优化级别

源代码：

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>using namespace std;int flag=0;void handler(int signo)
{cout<<" change flag 0->1 "<<endl;flag=1;
}int main()
{signal(SIGINT,handler);while(!flag);cout<<"process quit"<<endl;return 0;
}

1. O0的优化：

sigproc:sigproc.cppg++ -o $@ $^ -O1 -g -std=c++11

结果如图：

2. O1的优化：

sigproc:sigproc.cppg++ -o $@ $^ -O1 -g -std=c++11

结果如图：

3. O3的优化：

sigproc:sigproc.cppg++ -o $@ $^ -O3 -g -std=c++11

结果如图：

问题一：为什么优化过后，程序退不出去？

此时volatile int flag=0;使用volatile关键字修饰flag就能防止编译器过度优化，保持内存的可见性！！！

5. SIGCHLD信号

当子进程退出时，不是静悄悄的退出，子进程在退出的时候，会主动向父进程发送SIGCHLD（17号）信号。所以在进行进程等待的时候，我们可以采用基于信号的方式进行等待

问题一：等待的好处是什么？

1. 获取子进程的退出状态，释放子进程的僵尸。
2. 虽然不知道父子进程谁先运行（由调度器决定），但是我们清楚，一定是父进程先退出！！！
所以，还是要调用wait/waitpid这样的接口，且父进程必须保证自己是一直在运行的！

问题二：我们必须等待吗？必须调用wait吗？

Signal（17，SIG_IGN）;表示忽略17号信号，子进程会自动退出！！！

总结：

本章带大家理解了信号的保存与处理，知道了信号的不同的保存状态，以及处理信号时的内核态和用户态的转化原理，还扩展了可重入函数和Volatile关键字，以及SIGCHLD信号，最后，希望这篇文章对大家有一定帮助。