Linux应用程序设计之信号通信

3.1、信号概述

信号时UNIX中所使用的进程通信的一种最古老的方法。它是软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式。信号可以直接进行用户空间和内核空间之间的交互，内核进程也可

以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。它可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。如果该进程当前并未处于执行状态，则该信号就由内核保存起来，知道

该进程恢复执行再传递它为止；如果信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才能传递给进程。

一个完整的信号生命周期可以分为3个重要的阶段，这3个阶段由4个重要事件来刻画的：信号产生、信号在进程中注册、信号在进程中注销、执行信号处理函数，如下图所示。相邻两个

事件的时间间隔构成信号生命周期的一个阶段。要注意这里的信号处理有多种方式，一般由内核完成的，当然也可以由用户进程来完成。

 一个不可靠信号的处理过程是这样的：如果发现该信号已经在进程中注册，那么就忽略该信号。因此，若钱一个信号还未注销又产生了相同的信号就会产生信号丢失。而当可靠信号发送

给一个进程时，不管该信号是否已经在进程总注册，都会被再注册一次，因此信号就不会丢失。所有可靠信号都支持排队，而不可靠信号则都不支持排队。

信号生命周期图：

用户进程对信号的响应可以有3中方式。

忽略信号：即对信号不做任何处理，但是有两个信号不能忽略，即SIGKILL和SIGSTOP。

捕捉信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数。

执行缺省操作：Linux对每种信号都规定了默认操作。

Linux中的大多数信号时提供给内核的，下表是Linux中最为常见信号的含义及其默认操作。

SIGHUP	该信号在用户终端连接（正常或非正常）结束时发出，通常是在终端的控制进程结束时，通知同一会话的各个作业与控制终端不再关联	终止
SIGINT	该信号在用户键入INTR字符（通常Ctrl+C）时发出，终端驱动程序发送此信号并送到前台进程中的每一个进程	终止
SIGQUIT	该信号和SIGINT类似，但由QUIT字符（通常是Ctrl+\）来控制	终止
SIGILL	该信号在一个进程企图执行一条非法指令时发出	终止
SIGFPE	该信号在发生致命的算法运算错误时发出。这里不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等其他所有的算术的错误	终止
SIGKILL	该信号用来立即结束程序的运行，并且不能被阻塞，处理和忽略	终止
SIGALRM	该信号当一个定时器到时的时候发出	终止
SIGSTOP	该信号用于暂停一个进程，且不能被阻塞，处理和忽略	暂停
SIGTSTP	该信号用于交互停止进程，用户可键入SUSP字符（通常是Ctrl+Z）发出这个信号	停止
SIGCHLD	子进程改变状态时，父进程会收到这个信号	忽略
SIGABORT

3.2、信号的发送与捕捉

发送信号的函数主要有kill()、raise()、alarm()、以及pause(),下面依次对其进行介绍。

1>kill()和raise()

(1)函数说明

kill函数同系统命令一样，可以发送信号给进程或进程组（实际上，kill系统命令只是kill函数的一个用户接口）。这里它不仅仅可以中止进程（实际发出SIGKILL信号），也可以向进程发送
其他信号。与kill函数所不同的是raise函数允许进程向自身发送信号。

(2)函数格式

kill函数：

所需头文件：#include #include

函数原型： int kill(pid_t pid, int sig)

参数：pid： 正数：要发送信号的进程

0：信号被发送到所有和pid进程在同一个进程的进程

-1：信号发给所有的进程表中的进程（除了进程号最大的进程外）

sig：信号

返回值：成功： 0

失败： -1

raise函数：

所需头文件： ：#include #include

函数原型： int raise(int sig)

参数：sig：信号

返回值： 成功：0，失败 ： -1

(3)函数实例

下面这个实例首先使用fork(）创建了一个子进程，接着为了保证子进程不在父进程调用kill之前退出，在子进程中使用raise函数向子进程发送SIGSTOP信号，使得子进程暂停。接下来再
在父进程中调用kill向子进程发送信号，在该实例中使用的是SIGKILL，也可以使用其他信号进行练习。

/*kill.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
pid_t pid;
int ret;

/*创建一子进程*/
if((pid = fork()) < 0){
perror("fork");
exit(1);
}

if(pie == 0){
/*在子进程中使用raise函数发出SIGSTOP信号*/
raise(SIGSTOP);
exit(0);
}
else{
/*在父进程中收集子进程发出的信号，并调用kill函数进行相应的操作*/
printf("pid = %d\n",pid);
if((waitpid(pid,NULL,WNOHANG)) == 0){
if((ret = kill(pid,SIGKILL)) == 0)
printf("kill %d\n", pid);
else{
perror("kill");
}
}
}

}

2>alarm()和pause()

(1)函数说明

alarm也称为闹钟函数，它可以在进程中设置一个定时器，当定时器指的时间到时，它就向进程发送SIGALARM信号，要注意的是一个进程只能有一个闹钟时间，如果在调用alarm之前已经设置过闹钟时间，则任何以前的闹钟时间都被新值所代替。

pause函数是用于将调用进程挂起直至捕捉到信号为止。这个函数很常用，通常可以用于判断信号是否已到。

(2)函数格式

alarm函数：

所需头文件：#include

函数原型： unsigned int alarm(unsigned int seconds)

参数：seconds：指定秒数

返回值：成功：如果调用此alarm()前，进程中已经设置了闹钟时间则返回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0.

失败：-1

pause函数：

所需头文件：#include

函数原型： int pause(void)

返回值： -1： 并且把error值设置为EINTR

(3)函数实例：

该实例实际上已完成了一个简单的sleep函数的功能，由于SIGALARM默认的系统动作为终止该进程，因此在程序调用pause之后，程序就终止了，如下所示：

/*alarm.c*/
# include < unistd.h >
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
int ret;
/*调用alarm定时器函数*/
ret = alarm(5);
pause();
printf("I have been waken up.\n",ret);
}

3.3>信号的处理

特定的信号是与一定的进程相联系的。也就是说，一个进程可以决定该进程中需要对哪些信号进行什么样的处理。建立信号与进程之间的对应关系，这就是信号的处理。信号处理时一种是使用简单的signal函数，另一种是使用信号集函数组。

1、signal()

(1)函数说明

使用signal函数处理时，只需要处理的信号和处理函数列出即可。它主要是用于前32种非实时信号的处理，不支持信号传递信息，但是由于使用简单，易于理解，因此也受到很多程序员的欢迎。

(2)函数格式

所需头文件：#include

函数原型：void(signal(int signum,void(*handler)(int)))(int)

参数值： signal：指定信号

handler：SIG_IGN：忽略该信号

SIG_DFL：采用系统默认方式处理信号

自定义的信号处理函数指针。

返回值：成功： 以前的信号处理配置，出错 ：-1

这个函数的原型非常复杂，可先用如下的typedef进行替换说明：

typedef void sign(int);

sign *signal (int ,handler *);

可见该函数原型整体指向一个无返回值带一个整形参数的函数指针，也就是原始配置函数，接着该原型又带了两个参数，其中的第二个 参数可以是用户自定义的信号处理函数指针。

(3)使用实例：

该实例表明了如何使用signal函数捕捉相应信号，并做出给定的处理，这里，my_func就是信号处理的函数指针，还可以将其改为SIG_IGN或SIG_DFL查看运行结果。

/*mysignal.c*/
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/*自定义信号处理函数*/
void my_func(int sign_no)
{
if(sign_no==SIGINT)
printf("I have get SIGINT\n");
else if(sign_no == SIGQUIT)
printf("I have get SIGQUIT\n");
}

int main()
{
printf("waiting for signal SIGINT or SIGQUIT \n");
/*发出相应的信号，并跳转到信号处理函数处*/
signal(SIGINT,my_func);
signal(SIGQUIT,my_func);
pause();
exit(0);
}

2、信号集函数组

(1)函数说明

使用信号集函数组处理信号涉及一系列的函数，这些函数按照调用先后次序科分为以下几个大功能模块；创建信号集合，登记信号处理器以及检测信号。

其中，创建信号集合主要用于创建用户感兴趣的信号，其函数包括以下几个。

sigemptyset：初始化信号集合为空。

sigfillset：初始化信号集合为所有信号的集合。

sigaddset：将指定信号加入到信号集合中去。

sigdelset：将指定信号从信号集中删去。

sigismember：查询指定信号是否在信号集合之中。

登记信号处理器主要用于决定进程如何处理信号。这里要注意的是，信号集里的信号并不是真正可以处理的信号，只有当信号的状态处于非阻塞状态时才真正起作用，因此，首先就要判断出当前阻塞能不能传递给该信号的信号集。这里首先要使用sigprocmask函数判断检测或更改信号屏蔽字然后使用sigaction函数用于改变进程接收到特定信号之后的行为。

检测信号时信号处理的后续步骤，但不是必须得。由于内核可以在任何时刻向某一进程发出信号，因此，若该进程必须保持非中断状态且希望某些信号阻塞，这些信号就处于“未决”状态（也就是进程不清楚它的存在）。所以，在希望保持非中断进程完成相应的任务之后，就应该将这些信号解除阻塞。sigpending函数允许进程检测“未决”信号，并进一步决定它们作何处理。

(2)函数格式：

创建信号集合的函数格式：

所需头文件：#include

函数原型：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 sigmember(sigset_t *set, int signum)

参数：set信号集

signum：指定信号值

返回值：成功：0（sigmember成功返回1，失败返回0）

出错：-1

sigprocmask函数：

所需头文件：#include

函数原型：int sigprocmask(int how, congst sigset_t *set, sigset_t *oset)

参数：how：决定函数操作方式：SIG_BLOCK：增加一个信号集合到当前进程的阻塞集合之中

SIG_UNBLOCK：从当前的阻塞集合中删除一个信号集合

SIG_SETMASK：将当前的信号集合设置为信号阻塞集合。

set：指定信号集

oset：信号屏蔽字

返回值：成功：0

出错：-1

在这里，若set是一个非空指针，则参数how表示函数的操作方式，若how为空，则表示忽略此操作。

sigaction函数：

所需头文件：#include

函数原型：int sigaction(int signum, const sigaction *act,struct sigaction *oldact)

参数： signum：信号的值，可以为除SIHKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号

act：指向结构体sigaction的一个实例指针，指定对特定信号的处理

oldact：保存原来对相应信号的处理

函数返回值：成功：0 失败： -1

sigaction函数中的第2个和第3个参数用到的sigaction结构，这是一个看似非常复杂的结构。

首先给出了sigaction的定义：

struct sigaction {

void (*sa_handler)(int signo);

sigset_t sa_mask;

int sa_flags;

void (*sa_restore)void);

};

sa_handler是一个函数指针，指定信号关联函数，这里除可以是用户自定义的处理函数外，还可以为SIG_DFL（采用缺省的处理方式）或SIG_IGN（忽略信号）。它的处理函数只有一个参数，即信号值。

sa_mask是个信号集，它可以指定在信号处理程序执行过程中哪些信号应当被阻塞，在调用信号捕获函数之前，该信号集要加入到信号的信号屏蔽字中。

sa_flags中包含了许多标志位，是对信号进行处理的各个选择项，它的常见可选值如下图所示：

sigpending函数：

所需头文件： #include

函数原型：int sigpending(sigset_t *set)

参数：set：要检测的信号集

返回值： 成功：0， 出错：-1

在处理信号时，一般需要遵循的操作流程如下如所示：

(3)使用实例

该实例首先把SIGQUIT、SIGINT两个信号加入信号集，然后将该信号集设为阻塞状态，并在该状态下使程序暂停5秒，接下来再将信号集设置为非阻塞状态，再对这两个信号分别操作，其中SIGQUIT执行默认操作，而SIGINT执行用户自定义的函数操作，源代码如下：

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

/*自定义的信号处理函数*/
void my_func(int signum)
{
printf("If you want to quie , please try SIGQUIT\n");

}

int main()
{
sigset_t set, pendset;
struct sigaction action1,action2;
/*初始化信号集为空*/
if(sigemptyset(&set)<0)
perror("sigemptyset");

/*将相应的信号加入信号集*/
if(sigaddset(&set,SIGQUIT)<0)
perror("sigaddset");
if(sigaddset(&set, SIGINT)<0)
perror("sigaddset");
/*设置信号集屏蔽字*/
if(sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,NULL)<0)
perror("sigprocmask");
else
{
printf("blockde\n");
sleep(5);
}

if(sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,NULL)<0)
perror("sigprocmask");
else
printf("unblock\n");

/*对相应的信号进行循环处理*/
while(1){
if(sigismember(&set,SIGINT)){
sigemptyset(&action1.sa_mask);
action1.sa_handler=my_func;
sigaction(SIGINT,&action1,NULL);
}else if(sigismember(&set,SIGQUIT)){
sigemptyset(&action2.sa_mask);
action2.sa_handler=SIG_DFL;
sigaction(SIGTERM,&action2,NULL);
}
}
}