Linux环境进程间通信（二）: 信号（下）

转自http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html，作者：郑彦兴

从信号发送到信号处理函数的执行完毕

对于一个完整的信号生命周期(从信号发送到相应的处理函数执行完毕)来说，可以分为三个重要的阶段，这三个阶段由四个重要事件来刻画：信号诞生；信号在进程中注册完毕；信号在进程中的注销完毕；信号处理函数执行完毕。相邻两个事件的时间间隔构成信号生命周期的一个阶段。

下面阐述四个事件的实际意义：

1. 信号"诞生"。信号的诞生指的是触发信号的事件发生（如检测到硬件异常、定时器超时以及调用信号发送函数kill()或sigqueue()等）。
2. 信号在目标进程中"注册"；进程的task_struct结构中有关于本进程中未决信号的数据成员：

   struct sigpending pending： struct sigpending{ struct sigqueue *head, **tail; sigset_t signal; };

   
   第三个成员是进程中所有未决信号集，第一、第二个成员分别指向一个sigqueue类型的结构链（称之为"未决信号信息链"）的首尾，信息链中的每个sigqueue结构刻画一个特定信号所携带的信息，并指向下一个sigqueue结构:
   

   struct sigqueue{
       struct sigqueue *next;
       siginfo_t info;
   }

   信号在进程中注册指的就是信号值加入到进程的未决信号集中（sigpending结构的第二个成员sigset_t signal），并且信号所携带的信息被保留到未决信号信息链的某个sigqueue结构中。 只要信号在进程的未决信号集中，表明进程已经知道这些信号的存在，但还没来得及处理，或者该信号被进程阻塞。

   注：
   当一个实时信号发送给一个进程时，不管该信号是否已经在进程中注册，都会被再注册一次，因此，信号不会丢失，因此，实时信号又叫做"可靠信号"。这意味着 同一个实时信号可以在同一个进程的未决信号信息链中占有多个sigqueue结构（进程每收到一个实时信号，都会为它分配一个结构来登记该信号信息，并把 该结构添加在未决信号链尾，即所有诞生的实时信号都会在目标进程中注册）；
   当一个非实时信号发送给一个进程时，如果该信号已经在进程中注册，则该信号将被丢弃，造成信号丢失。因此，非实时信号又叫做"不可靠信号"。这意味着同一 个非实时信号在进程的未决信号信息链中，至多占有一个sigqueue结构（一个非实时信号诞生后，（1）、如果发现相同的信号已经在目标结构中注册，则 不再注册，对于进程来说，相当于不知道本次信号发生，信号丢失；（2）、如果进程的未决信号中没有相同信号，则在进程中注册自己）。

3. 信号在进程中的注销。在目标进程执行过程中，会检测是否有信号等待处理（每次从系统空间返回到用户空间时都做这样的检查）。如果 存在未决信号等待处理且该信号没有被进程阻塞，则在运行相应的信号处理函数前，进程会把信号在未决信号链中占有的结构卸掉。是否将信号从进程未决信号集中 删除对于实时与非实时信号是不同的。对于非实时信号来说，由于在未决信号信息链中最多只占用一个sigqueue结构，因此该结构被释放后，应该把信号在 进程未决信号集中删除（信号注销完毕）；而对于实时信号来说，可能在未决信号信息链中占用多个sigqueue结构，因此应该针对占用sigqueue结 构的数目区别对待：如果只占用一个sigqueue结构（进程只收到该信号一次），则应该把信号在进程的未决信号集中删除（信号注销完毕）。否则，不应该 在进程的未决信号集中删除该信号（信号注销完毕）。
   进程在执行信号相应处理函数之前，首先要把信号在进程中注销。
4. 信号生命终止。进程注销信号后，立即执行相应的信号处理函数，执行完毕后，信号的本次发送对进程的影响彻底结束。

   注：
   1）信号注册与否，与发送信号的函数（如kill()或sigqueue()等）以及信号安装函数（signal()及 sigaction()）无关，只与信号值有关（信号值小于SIGRTMIN的信号最多只注册一次，信号值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之间的信 号，只要被进程接收到就被注册）。
   2）在信号被注销到相应的信号处理函数执行完毕这段时间内，如果进程又收到同一信号多次，则对实时信号来说，每一次都会在进程中注册；而对于非实时信号来说，无论收到多少次信号，都会视为只收到一个信号，只在进程中注册一次。

1. 防止不该丢失的信号丢失。如果对八中所提到的信号生命周期理解深刻的话，很容易知道信号会不会丢失，以及在哪里丢失。
2. 程序的可移植性
   考虑到程序的可移植性，应该尽量采用POSIX信号函数，POSIX信号函数主要分为两类：
• POSIX 1003.1信号函数： Kill()、sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、sigismember()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()。
• POSIX 1003.1b信号函数。POSIX 1003.1b在信号的实时性方面对POSIX 1003.1做了扩展，包括以下三个函数： sigqueue()、sigtimedwait()、sigwaitinfo()。 其中，sigqueue主要针对信号发送，而sigtimedwait及sigwaitinfo()主要用于取代sigsuspend()函数，后面有相应实例。

  #include int sigwaitinfo(sigset_t *set, siginfo_t *info).

  
  该函数与sigsuspend()类似，阻塞一个进程直到特定信号发生，但信号到来时不执行信号处理函数，而是返回信号值。因此为了避免执行相应的信号处理函数，必须在调用该函数前，使进程屏蔽掉set指向的信号，因此调用该函数的典型代码是：

  sigset_t newmask; int rcvd_sig; siginfo_t info; sigemptyset(&newmask); sigaddset(&newmask, SIGRTMIN); sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL); rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info) if (rcvd_sig == -1) { .. }

  
  调用成功返回信号值，否则返回-1。sigtimedwait()功能相似，只不过增加了一个进程等待的时间。
3. 程序的稳定性。
   为了增强程序的稳定性，在信号处理函数中应使用可重入函数。

   信号处理程序中应当使用可再入（可重入）函数（注：所谓可重入函数是指一个可以被多个任务调用的过程，任务在调用时不必担心数 据是否会出错）。因为进程在收到信号后，就将跳转到信号处理函数去接着执行。如果信号处理函数中使用了不可重入函数，那么信号处理函数可能会修改原来进程 中不应该被修改的数据，这样进程从信号处理函数中返回接着执行时，可能会出现不可预料的后果。不可再入函数在信号处理函数中被视为不安全函数。

   满足下列条件的函数多数是不可再入的：（1）使用静态的数据结构，如 getlogin()，gmtime()，getgrgid()，getgrnam()，getpwuid()以及getpwnam()等等；（2）函数 实现时，调用了malloc（）或者free()函数；（3）实现时使用了标准I/O函数的。The Open Group视下列函数为可再入的：

   _exit（）、access（）、alarm（）、cfgetispeed（）、cfgetospeed（）、 cfsetispeed（）、cfsetospeed（）、chdir（）、chmod（）、chown（） 、close（）、creat（）、dup（）、dup2（）、execle（）、execve（）、fcntl（）、fork（）、 fpathconf（）、fstat（）、fsync（）、getegid（）、 geteuid（）、getgid（）、getgroups（）、getpgrp（）、getpid（）、getppid（）、getuid（）、 kill（）、link（）、lseek（）、mkdir（）、mkfifo（）、 open（）、pathconf（）、pause（）、pipe（）、raise（）、read（）、rename（）、rmdir（）、 setgid（）、setpgid（）、setsid（）、setuid（）、 sigaction（）、sigaddset（）、sigdelset（）、sigemptyset（）、sigfillset（）、 sigismember（）、signal（）、sigpending（）、sigprocmask（）、sigsuspend（）、sleep（）、 stat（）、sysconf（）、tcdrain（）、tcflow（）、tcflush（）、tcgetattr（）、tcgetpgrp（）、 tcsendbreak（）、tcsetattr（）、tcsetpgrp（）、time（）、times（）、 umask（）、uname（）、unlink（）、utime（）、wait（）、waitpid（）、write（）。

   即使信号处理函数使用的都是"安全函数"，同样要注意进入处理函数时，首先要保存errno的值，结束时，再恢复原值。因为， 信号处理过程中，errno值随时可能被改变。另外，longjmp()以及siglongjmp()没有被列为可再入函数，因为不能保证紧接着两个函数 的其它调用是安全的。

linux下的信号应用并没有想象的那么恐怖，程序员所要做的最多只有三件事情：

1. 安装信号（推荐使用sigaction()）；
2. 实现三参数信号处理函数，handler(int signal,struct siginfo *info, void *)；
3. 发送信号，推荐使用sigqueue()。

实际上，对有些信号来说，只要安装信号就足够了（信号处理方式采用缺省或忽略）。其他可能要做的无非是与信号集相关的几种操作。

实例一：信号发送及处理
实现一个信号接收程序sigreceive（其中信号安装由sigaction（））。

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
void new_op(int,siginfo_t*,void*);
int main(int argc,char**argv)
{
    struct sigaction act;
    int sig;
    sig=atoi(argv[1]);

    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags=SA_SIGINFO;
    act.sa_sigaction=new_op;

    if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
    {
        printf("install sigal error\n");
    }

    while(1)
    {
        sleep(2);
        printf("wait for the signal\n");
    }
}
void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
{
    printf("receive signal %d", signum);
    sleep(5);
}

说明，命令行参数为信号值，后台运行sigreceive signo &，可获得该进程的ID，假设为pid，然后再另一终端上运行kill -s signo pid验证信号的发送接收及处理。同时，可验证信号的排队问题。
注：可以用sigqueue实现一个命令行信号发送程序sigqueuesend，见 附录1。

实例二：信号传递附加信息
主要包括两个实例：

1. 向进程本身发送信号，并传递指针参数；

   #include <signal.h>
   #include <sys/types.h>
   #include <unistd.h>
   void new_op(int,siginfo_t*,void*);
   int main(int argc,char**argv)
   {
       struct sigaction act;
       union sigval mysigval;
       int i;
       int sig;
       pid_t pid;
       char data[10];
       memset(data,0,sizeof(data));
       for(i=0;i < 5;i++)
           data[i]='2';
       mysigval.sival_ptr=data;
   
       sig=atoi(argv[1]);
       pid=getpid();
   
       sigemptyset(&act.sa_mask);
       act.sa_sigaction=new_op;//三参数信号处理函数
       act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息传递开关
       if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
       {
           printf("install sigal error\n");
       }
       while(1)
       {
           sleep(2);
           printf("wait for the signal\n");
           sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本进程发送信号，并传递附加信息
       }
   }
   void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三参数信号处理函数的实现
   {
       int i;
       for(i=0;i<10;i++)
       {
           printf("%c\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i)));
       }
       printf("handle signal %d over;",signum);
   }

   这个例子中，信号实现了附加信息的传递，信号究竟如何对这些信息进行处理则取决于具体的应用。

2. 2、 不同进程间传递整型参数：把1中的信号发送和接收放在两个程序中，并且在发送过程中传递整型参数。
   信号接收程序：

   #include <signal.h>
   #include <sys/types.h>
   #include <unistd.h>
   void new_op(int,siginfo_t*,void*);
   int main(int argc,char**argv)
   {
       struct sigaction act;
       int sig;
       pid_t pid;
   
       pid=getpid();
       sig=atoi(argv[1]);
   
       sigemptyset(&act.sa_mask);
       act.sa_sigaction=new_op;
       act.sa_flags=SA_SIGINFO;
       if(sigaction(sig,&act,NULL)<0)
       {
           printf("install sigal error\n");
       }
       while(1)
       {
           sleep(2);
           printf("wait for the signal\n");
       }
   }
   void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
   {
       printf("the int value is %d \n",info->si_int);
   }

   
   

   信号发送程序：命令行第二个参数为信号值，第三个参数为接收进程ID。

   #include <signal.h>
   #include <sys/time.h>
   #include <unistd.h>
   #include <sys/types.h>
   main(int argc,char**argv)
   {
       pid_t pid;
       int signum;
       union sigval mysigval;
       signum=atoi(argv[1]);
       pid=(pid_t)atoi(argv[2]);
       mysigval.sival_int=8;//不代表具体含义，只用于说明问题
       if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1)
           printf("send error\n");
       sleep(2);
   }

   
   

   注：实例2的两个例子侧重点在于用信号来传递信息，目前关于在linux下通过信号传递信息 的实例非常少，倒是Unix下有一些，但传递的基本上都是关于传递一个整数，传递指针的我还没看到。我一直没有实现不同进程间的指针传递（实际上更有意 义），也许在实现方法上存在问题吧，请实现者email我。

实例三：信号阻塞及信号集操作

#include "signal.h"
#include "unistd.h"
static void my_op(int);
main()
{
    sigset_t new_mask,old_mask,pending_mask;
    struct sigaction act;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags=SA_SIGINFO;
    act.sa_sigaction=(void*)my_op;
    if(sigaction(SIGRTMIN+10,&act,NULL))
        printf("install signal SIGRTMIN+10 error\n");
    sigemptyset(&new_mask);
    sigaddset(&new_mask,SIGRTMIN+10);
    if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask,&old_mask))
        printf("block signal SIGRTMIN+10 error\n");
    sleep(10);
    printf("now begin to get pending mask and unblock SIGRTMIN+10\n");
    if(sigpending(&pending_mask)<0)
        printf("get pending mask error\n");
    if(sigismember(&pending_mask,SIGRTMIN+10))
        printf("signal SIGRTMIN+10 is pending\n");
    if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&old_mask,NULL)<0)
        printf("unblock signal error\n");
    printf("signal unblocked\n");
    sleep(10);
}
static void my_op(int signum)
{
    printf("receive signal %d \n",signum);
}

编译该程序，并以后台方式运行。在另一终端向该进程发送信号(运行kill -s 42 pid，SIGRTMIN+10为42)，查看结果可以看出几个关键函数的运行机制，信号集相关操作比较简单。

注：在上面几个实例中，使用了printf()函数，只是作为诊断工具，pringf()函数是不可重入的，不应在信号处理函数中使用。

系统地对linux信号机制进行分析、总结使我受益匪浅！感谢王小乐等网友的支持！
Comments and suggestions are greatly welcome!

用sigqueue实现的命令行信号发送程序sigqueuesend，命令行第二个参数是发送的信号值，第三个参数是接收该信号的进程ID，可以配合实例一使用：

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc,char**argv)
{
    pid_t pid;
    int sig;
    sig=atoi(argv[1]);
    pid=atoi(argv[2]);
    sigqueue(pid,sig,NULL);
    sleep(2);
}

• linux内核源代码情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大学出版社，当要验证某个结论、想法时，最好的参考资料；
  
  
• UNIX环境高级编程，作者：W.Richard Stevens，译者：尤晋元等，机械工业出版社。对信号机制的发展过程阐述的比较详细。
  
  
• signal、sigaction、kill等手册，最直接而可靠的参考资料。
  
  
• 提供了许多系统调用、库函数等的在线指南。
  
  
• 可以在这里对许多关键函数（包括系统调用）进行查询，非常好的一个网址。
  
  
• 对函数可重入进行了阐述。
  
  
• 对实时信号给出了相当好的描述。