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Linux进程信号保存(25)

ops 2025/8/27 14:12:27

文章目录

  • 前言
  • 一、重识信号
    • 概念
    • 感性理解
    • 在内核中的表示
    • sigset_t 信号集
  • 二、信号集操作函数
    • 增删改查
    • sigprocmask
      • 示例程序一：
      • 示例程序二：
    • sigpending
  • 总结

前言

继续，继续！

信号从产生到执行，并不会被立即处理，这就意味着需要一种 “方式” 记录信号是否产生，对于 31 个普通信号来说，一个 int 整型就足以表示所有普通信号的产生信息了；信号还有可能被 “阻塞”，对于这种多状态、多结果的事物，操作系统会将其进行描述、组织、管理，这一过程称为 信号保存 阶段

你会越来越发现，先描述，再组织，这真是一个经典的概念

一、重识信号

概念

  信号 传递过程：信号产生 -> 信号未决 -> 信号递达

  信号产生（Produce）：由四种不同的方式发出信号
  信号未决（Pending）：信号从 产生 到 执行 的中间状态
  信号递达（Delivery）：进程收到信号后，对信号的处理动作

  在这三种过程之前，均有可能出现 信号阻塞 的情况

信号阻塞（Block）：使信号传递 “停滞”，无论是否产生，都无法进行处理

在这里插入图片描述
信号递达后的三种处理方式：

  • SIG_DFL 默认处理动作，大多数信号最终都是终止进程
  • SIG_IGN 忽略动作，即进程收到信号后，不做任何处理动作
  • handler 用户自定义的信号执行动作

请注意！

  • 信号阻塞 是一种手段，可以发生在 信号处理 前的任意时段
  • 信号阻塞 与 忽略动作 不一样，虽然二者的效果差不多：什么都不干，但前者是 干不了，后者则是 不干了，需要注意区分

感性理解

  我们来打一个比方，有助于你的理解

我最爱打比方了

现在我们把信号传递比作是网上购物

  • 信号产生：在某某购物平台上下达了订单
  • 信号未决：订单下达后，快递的运输过程
  • 信号递达：快递到达驿站后，你对于快递的处理动作
  • 信号阻塞：快递运输过程中堵车了

  只要你下单了，你的手机上肯定会有 物流信息（未决信息已记录），当 快递送达后（信号递达），物流记录 不再更新

  而 堵车 是一件不可预料的事情，也就是说：在下单后，快递可能一会儿送达（没有阻塞），可能五天送达（阻塞 -> 解除阻塞），有可能永不送达，因为快递可能永远堵车（阻塞）

  堵车也有可能在你下单前发生（信号产生前阻塞）

在内核中的表示

  对于传递中的信号来说，需要存在三种状态表达：

  1. 信号是否阻塞
  2. 信号是否未决
  3. 信号递达时的执行动作

  在内核中，每个进程都需要维护这三张与信号状态有关的表：block 表、pending 表、handler 表

在这里插入图片描述
所谓的 block 表 和 pending 表 其实就是 位图结构

一个 整型 int 就可以表示 31 个普通信号（实时信号这里不讨论）

  • 比如 1 号信号就是位图中的 0 位置处，0 表示 未被阻塞/未产生未决，1 则表示 阻塞/未决
  • 对于信号的状态修改，其实就是修改 位图 中对应位置的值（0/1）
  • 对于多次产生的信号，只会记录一次信息（实时信号则会将冗余的信号通过队列组织）

如何记录信号已产生 -> 未决表中对应比特位置置为 1 ？
  假设已经获取到了信号的 pending 表
  只需要进行位运算即可：pending |= (1 << (signo - 1))
  其中的 signo 表示信号编号，-1 是因为信号编号从 1 开始，需要进行偏移
  如果想要取消 未决 状态也很简单：pending &= (~(1 << (signo - 1)))
  至于 阻塞 block 表，与 pending 表 一模一样

我们再来看上图，三个信号 SIGHUP、SIGINT、SIGQUIT 的解读如下：

  1. SIGHUP 信号未被阻塞，未产生，一旦产生了该信号，pending 表对应的位置置为 1，当信号递达后，执行动作为默认
  2. SIGINT 信号被阻塞，已产生，pending 表中有记录，此时信号处于阻塞状态，无法递达，一旦解除阻塞状态，信号递达后，执行动作为忽略该信号
  3. SIGQUIT 信号被阻塞，未产生，即使产生了，也无法递达，除非解除阻塞状态，执行动作为自定义

阻塞 block 与 未决 pending 之间并没很强的关联性，阻塞不过是信号未决的延缓剂

信号在 产生 之前，可以将其 阻塞，信号在 产生 之后（未决），依然可以将其 阻塞

在这里插入图片描述
  至于 handler 表是一个 函数指针表，格式为：返回值为空，参数为 int 的函数

  可以看看 默认动作 SIG_DEL 和 忽略动作 SIG_IGN 的定义

/* Type of a signal handler.  */
typedef void (*__sighandler_t) (int);/* Fake signal functions.  */
#define SIG_ERR	((__sighandler_t) -1)		/* Error return.  */
#define SIG_DFL	((__sighandler_t) 0)		/* Default action.  */
#define SIG_IGN	((__sighandler_t) 1)		/* Ignore signal.  */

  默认动作就是将 0 强转为函数指针类型，忽略动作则是将 1 强转为函数指针类型，分别对应 handler 函数指针数组表中的 0、1 下标位置；除此之外，还有一个 错误 SIG_ERR 表示执行动作为 出错

简单讲述下这三个表，就是：

  1. block 表（位图结构）比特位的位置，表示哪一个信号；比特位的内容代表 是否 对应信号被阻塞
  2. pending 表（位图结构）比特位的位置，表示哪一个信号；比特位的内容代表 是否 收到该信号
  3. handler 表（函数指针数组）该数组的下标，表示信号编号；数组的特定下标的内容，表示该信号递达后的执行动作

sigset_t 信号集

  无论是 block 表 还是 pending 表，都是一个位图结构，依靠 除、余 完成操作，为了确保不同平台中位图操作的兼容性，将信号操作所需要的 位图 结构封装成了一个结构体类型，其中是一个 无符号长整型数组

/* A `sigset_t' has a bit for each signal.  */# define _SIGSET_NWORDS	(1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))
typedef struct{unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];} __sigset_t;#endif

  注：_SIGSET_NWORDS 大小为 32，所以这是一个可以包含 32 个 无符号长整型 的数组，而每个 无符号长整型 大小为 4 字节，即 32 比特，至多可以使用 1024 个比特位

  sigset_t 是信号集，其中既可以表示 block 表信息，也可以表示 pending 表信息，可以通过信号集操作函数进行获取对应的信号集信息；信号集 的主要功能是表示每个信号的 “有效” 或 “无效” 状态

block 表 通过信号集称为 阻塞信号集或信号屏蔽字（屏蔽表示阻塞），pending 表 通过信号集中称为 未决信号集

假设现在要获取第 127 个比特位

  • 首先定位数组下标（对哪个数组操作）：127 / (8 * sizeof (unsigned long int)) = 3
  • 求余获取比特位（对哪个比特位操作）：127 % (8 * sizeof (unsigned long int)) = 31
  • 对比特位进行操作即可
  • 假设待操作对象为 XXX
  • 置 1：XXX._val[3] |= (1 << 31)
  • 置 0：XXX._val[3] &= (~(1 << 31))

其实很好理解，对吧！

所以可以仅凭 sigset_t 信号集，对 1024 个比特位进行任意操作

二、信号集操作函数

  对于 信号 的 产生或阻塞 其实就是对 block 和 pending 两张表的 增删改查

增删改查

  对于位图的增删改查是这样操作的：

  • 增：| 操作，将比特位置为 1
  • 删：& 操作，将比特位置为 0
  • 改：| 或 & 操作，灵活变动
  • 查：判断指定比特位是否为 1 即可

  比特作为基本单位，不推荐让我们直接进行操作，操作系统也不同意，于是提供了一批 系统接口，用于对 信号集 进行操作

#include <signal.h>int sigemptyset(sigset_t *set);	//初始化信号集
int sigfillset(sigset_t *set);	//初始化信号集
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);	//增
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);	//删
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);	//查

  这些函数都是 成功返回 0，失败返回 -1

  至于参数，非常简单，无非就是 待操作的信号集变量、待操作的比特位

  注意： 在创建 信号集 sigset_t 类型后，需要使用 sigemptyset 或 sigfillset 函数进行初始化，确保 信号集 是合法可用的

sigprocmask

  sigprocmask 函数可用用来对 block 表 进行操作

我们一开始只是在用户栈上对 block 进行操作，要用这个函数写进 内核 里面进去

在这里插入图片描述

#include <signal.h>int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并将错误码设置

参数1：对 屏蔽信号集 的操作

  • SIG_BLOCK 希望添加至当前进程 block 表 中阻塞信号，从 set 信号集中获取，相当于 mask |= set
  • SIG_UNBLOCK 解除阻塞状态，也是从 set 信号集中获取，相当于 mask &= (~set)
  • SIG_SETMASK 设置当前进程的 block 表为 set 信号集中的 block 表，相当于 mask = set

参数2：就是一个信号集，主要从此信号集中获取屏蔽信号信息
参数3：也是一个信号集，保存进程中原来的 block 表（相当于给你操作后，反悔的机会）

  这个函数就是 参数 1 比较有讲究，主打的就是一个 从 set 信号集 中获取阻塞信号相关信息，然后对进程中的 block 表进行操作，并且有三种不同的操作方式

来几个小程序验证一下：

示例程序一：

将 2 号信号阻塞，尝试通过 键盘键入 发出 2 信号

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;int main()
{//创建信号集sigset_t set, oset;//初始化信号集sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);//阻塞2号信号sigaddset(&set, 2);	//2 号信号被记录//设置当前进程的 block 表sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);//死循环while(true){cout << "我是一个进程，我正在运行" << endl;sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述
显然，当 2 号信号被阻塞后，是 无法被递达 的，进程也就无法终止了

示例程序二：

在程序运行五秒后，解除阻塞状态

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;int main()
{// 创建信号集sigset_t set, oset;// 初始化信号集sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);// 阻塞2号信号sigaddset(&set, 2);	//2号信号被记录// 设置当前进程的 屏蔽信号集sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);// 死循环int n = 0;while (true){if (n == 5){// 采用 SIG_SETMASK 的方式，覆盖进程的 block 表sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr); // 不接收进程的 block 表}cout << "我是一个进程，我正在运行" << endl;n++;sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述
  在 2 号信号发出、程序运行五秒解除阻塞后，信号才被递达，进程被终止

如何证明信号已经抵达呢？

  • 当 n == 5 时，解除阻塞状态，程序立马结束
  • 并只打印了 五条 语句，证明在第六秒时，程序就被终止了
  • 至于如何进一步证明，需要借助 未决信号表

sigpending

  这个函数很简单，获取当前进程中的 未决信号集

在这里插入图片描述

#include <signal.h>int sigpending(sigset_t *set);

返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并将错误码设置

参数：待获取的 未决信号集

如何根据 未决信号集 打印 pending 表
  使用函数 sigismember 判断当前信号集中是否存在该信号，如果存在，输出 1，否则输出 0
  如此重复，将 31 个信号全部判断打印输出即可

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;static void DisplayPending(const sigset_t& pending)
{//打印 pending 表cout << "当前进程的 pending 表为: ";int i = 1;while(i < 32){if(sigismember(&pending, i))cout << "1";elsecout << "0";i++;}cout << endl;
}int main()
{// 创建信号集sigset_t set, oset;// 初始化信号集sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);// 阻塞2号信号sigaddset(&set, 2);	//记录 2 号信号// 设置当前进程的 屏蔽信号集sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);// 死循环int n = 0;while (true){if (n == 5){// 采用 SIG_SETMASK 的方式，覆盖进程的 block 表sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);   // 不接收进程的 block 表}									//获取进程的 未决信号集sigset_t pending;sigemptyset(&pending);int ret = sigpending(&pending);assert(ret == 0);(void)ret;    //欺骗编译器，避免 release 模式中出错DisplayPending(pending);n++;sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述
  结果：当 2 号信号发出后，当前进程的 pending 表中的 2 号信号位被置为 1，表示该信号属于 未决 状态，并且在五秒之后，阻塞结束，信号递达，进程终止

  疑问：当阻塞解除后，信号递达，应该看见 pending 表中对应位置的值由 1 变为 0，但为什么没有看到?

很简单，因为当前 2 号信号的执行动作为终止进程，进程都终止了，当然看不到

  那我们现在改一下程序，给 2 号信号先注册一个新的自定义动作（而不是急着退出进程）

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;static void handler(int signo)
{cout << signo << " 号信号确实递达了" << endl;//最终不退出进程
}static void DisplayPending(const sigset_t pending)
{// 打印 pending 表cout << "当前进程的 pending 表为: ";int i = 1;while (i < 32){if (sigismember(&pending, i))cout << "1";elsecout << "0";i++;}cout << endl;
}int main()
{// 更改 2 号信号的执行动作signal(2, handler);// 创建信号集sigset_t set, oset;// 初始化信号集sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);// 阻塞2号信号sigaddset(&set, 2);	//记录 2 号信号// 设置当前进程的 屏蔽信号集sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);// 死循环int n = 0;while (true){if (n == 5){// 采用 SIG_SETMASK 的方式，覆盖进程的 block 表sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr); // 不接收进程的 block 表}// 获取进程的 未决信号集sigset_t pending;sigemptyset(&pending);int ret = sigpending(&pending);assert(ret == 0);(void)ret; // 欺骗编译器，避免 release 模式中出错DisplayPending(pending);n++;sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述

显然，这就是我们想要的最终结果

  先将信号 阻塞，信号发出后，无法 递达，始终属于 未决 状态，当阻塞解除后，信号可以 递达，信号处理之后， 未决表 中不再保存信号相关信息，因为已经处理了

综上，信号在发出后，在处理前，都是保存在 未决表 中的

  • 针对信号的 增删改查 都需要通过 系统调用 来完成，不能擅自使用位运算
  • sigprocmask、sigpending 这两个函数的参数都是 信号集，前者是 屏蔽信号集，后者是 未决信号集
  • 在对 信号集 进行增删改查前，一定要先初始化
  • 信号在被解除 阻塞状态 后，很快就会 递达 了
  • 关于信号何时递达、以及递达后的处理动作，在下一篇文章中揭晓

总结

  那递达信号之后又会发生什么呢？其原理又如何？
  别急，我们下篇见分晓！

http://www.xdnf.cn/news/5872.html

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