linux下IPC机制之“信号”

linux多任务间通信

-----信号机制         
         

Q:什么是linux多任务间通信，为什么需要通信?
A:由于linux中运行的进程是工作在独立的内存空间中，不同的进程之间是无法直接访问到对方的内存空间。但由于程序功能上的需求，常常需要不同进程协作完成一项任务。于是乎矛盾就产生啦，linux下解决办法之一就是 “信号机制”，当然还有相当多的方法比如：“管道” ，“消息列队” ， “共享内存” ， “套接字”。这里主要介绍 “信号” ，其他多任务间通信在以后文章中再做介绍。（IPC = Inter-Process Communication）

概念：

信号机制是进程之间相互传递消息的一种方法，信号全称为软中断信号，也有人称作软中断（在软件层次上对中断机制的一种模拟）。从它的命名可以看出，它的实质和使用很象中断。
原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断基本上是一样的。“信号"也是异步的，一个进程不必通过轮询查找等待信号的来到，也不无法预知信号何时会来。

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信号的类型：
信号被定义在>中，都以"SIG"为前缀。此外在系统终端用命令 ” $kill -l “ 也可以查看系统中定义的 signal 。

”信号“定义的种类比较多，但是可以按照一定规律分类。根据网友的分类如下。
（1） 与进程终止相关的信号。当进程退出，或者子进程终止时，发出这类信号。 
（2） 与进程例外事件相关的信号。如进程越界，或企图写一个只读的内存区域（如程序正文区），或执行一个特权指令及其他各种硬件错误。 
（3） 与在系统调用期间遇到不可恢复条件相关的信号。如执行系统调用exec时，原有资源已经释放，而目前系统资源又已经耗尽。 
（4） 与执行系统调用时遇到非预测错误条件相关的信号。如执行一个并不存在的系统调用。 
（5） 在用户态下的进程发出的信号。如进程调用系统调用kill向其他进程发送信号。 
（6） 与终端交互相关的信号。如用户关闭一个终端，或按下break键等情况。 
（7） 跟踪进程执行的信号。 
此外根据信号的可靠性又可以分成:可靠信号、不可靠信号；根据时间关系分为：实时信号，非实时信号。

        "不可靠信号"：那些建立在早期机制上的信号，信号值小于SIGRTMIN(可用 kill -l 命令查看，SIGRTMIN=34，SIGRTMAX=64)的信号都是不可靠信号。

“实时信号”：非实时信号都不支持排队，都是不可靠信号；实时信号都支持排队，都是可靠信号。

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信号的产生：
信号的产生主要有两个来源：硬件来源，软件来源。
硬件来源： 终端中用户输入 “Ctrl + C” 将对当前程序产生 “SIGKILL”信号  、硬件异常（除数为0，无效的存储访问)等
软件来源：程序调用 kill 等产生信号的函数或用户使用kill命令产生信号、某种软件条件达到产生信号（SIGPIPE:管道读进程终止 ，SIGALRM:进程设定的闹钟时间到达）
 “Ctrl + C”---->SIGINT             “Ctrl + /” ---->SIGQUIT

产生信号相关函数介绍：
kill() & raise()

#includ<signal.h>    // 定义函数的头文件

int kill(pid_t pid, int signo);   //将信号发送给一个进程或进程组
int raise(int signo);            // 把信号发送给进程自身

raise()函数的实质是调用了kill()

#include<signal.h>   // kill() 头文件
#include<unistd.h>   // getpid()头文件

kill(getpid(), signo);    // getpid() 取得目前进程的进程识别码

因此重点介绍kill()函数。kill()的 signo参数为欲发送的信号值，pid 参数取值如下表：

pid值	信号对象
pid > 0	进程ID为pid的进程
pid < 0 ( pid != -1)	进程组ID为 |pid| 的所有进程
pid = -1	将信号广播给除自身外的所有进程
pid = 0	同一个进程组的进程

alarm() & pause()

#include<unistd.h> // 函数定义头文件

unsigned int alarm(unsigned int seconds);
int pause(void);

alarm()：顾名思义闹钟函数，其功能也表现无遗。用来设置信号SIGALRM，在经过参数 seconds 指定的秒数后传送给目前的进程(每个进程只能有一个闹钟，调用alarm()后之前设置的闹钟将失效)。如果参数 seconds 为 0，则之前设置的闹钟会被取消，并将剩下的时间返回。
pause()：令当前的进程暂停（进入睡眠状态），直到被信号(signal)所中断

abort()
此函数向进程自身发送SIGABORT信号，默认操作会使进程异常退出。

#include<stdlib.h>

void abort(void);

sigqueue()

在队列中向指定进程发送一个信号和数据,是比较新的发送信号系统调用，发送信号时支持带参数，一般与sigaction()配合使用。

#include<signal.h>

int sigqueue(pid_t pid,int sig,const union sigval value);

*************************************************************
parm:
    pid：目标进程的进程号
    sig：信号代号
    value：是一个联合体,表示信号附带的数据(传递给sigaction()，它也有此类型参数，),附带数据可以是一个整数也可以是一个指针,定义的原型如下：

    union sigval {
        int sival_int;
        void *sival_ptr;//指向要传递的信号参数
    }sigval_t;

注：相比kill()函数，sigqueue()功能更强大，但是sigqueue()只能向一个进程发送信号，而不能发送信号给进程组

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信号的处理
程序收到信号可以根据信号做出相应的响应，一般处理方式有如下三种。
1> 捕捉信号，类似中断机制，对需要处理的信号，进程执行指定函数。
2> 忽略信号，忽略接收到的信号，不做任何处理。充耳不闻，就像没有发生过一样。（但是SIGKILL和SIGSTOP不能忽略）
3> 默认操作，每个信号系统都定义了默认的操作。

此外进程需要处理某个信号就必须在进程中注册该信号，让信号值和进程针对该信号的操作对应起来。注册信号有两个函数signal()和sigaction()，如下：

1 #include<signal.h>
2
3 void (*signal(int signum, void (*handler)(int))) (int);
4 int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

signal()

原函数定义的有点夸张，其实也可以这样定义，也方便理解

typedef void sign(int);
sign *sinal(int, handler *)

参数signum指定信号值；
参数handler指定该信号对应的处理函数地址(设为SIG_IGN忽略，SIG_DEF默认操作)。signal()调用成功返回最后一次注册信号signum而调用的handler值，失败返回SIG_ERR。
signal()函数使用比较简单，一般只用于非实时性信号的注册(SIGRTMIN之前的信号)。

/* signal()函数使用示例 */
#include<signal.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

void sig_int(int sig)   // sig 参数为 signal()注册信号时传递的 信号值参数
{
     printf("Get signal: %d \n",sig);
     signal(SIGINT, sig_int);    //重新注册信号，否则该程序收到此信号将执行默认操作
}

void main()
{
    signal(SIGINT, sig_int);    //注册 SIGNIT 信号，以及对应的操作函数
    while(1)
    {
         printf("LuoYe !\n");
         sleep(1);
    }
}

运行结果如下：

(重难点)

? sigaction() ?
用于改变进程接收到特定信号后的行为,函数原型：

#include <signal.h>
int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact));

/*******************************************/
parm:
    signum:信号值,可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号(因为这两个信号定义自己的处理函数，将导致信号安装错误)
    act:指定了对特定信号的处理、信号所传递的信息、信号处理函数执行过程中应屏蔽掉哪些函数等等，当设为NULL时将以默认方式处理信号
    oldact:用来保存原来对相应信号的处理,也可设为NULL

注：如果把第二、第三个参数都设为NULL，那么该函数可用于检查信号的有效性。

参数 act 是函数中最重要的参数，它被定义为一个sigaction的结构。那么里面究竟包含些什么信息呢？

struct sigaction {
void (*sa_handler)(int);
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);   //siginfo_t 中带有信号相关的参数
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
void (*sa_restorer)(void);  // 已过时，POSIX不支持它，不应再被使用
}

1）void (*sa_handler)(int)和void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)都是用于指定信号关联函数，到底采用哪个要看sa_flags中的设置。
当使用sa_handler时指定的处理函数只有一个参数(信号值)，跟注册信号就跟调用signal()类似。
使用sa_sigaction指定处理函数时指定的信号处理函数带有3个参数：

第一个参数为信号值，

第三个参数没有使用，

第二个参数是指向 siginfo_t 结构的指针，结构中包含信号携带的数据值

typedef struct siginfo_t{
int si_signo;//信号编号
int si_errno;//如果为非零值则错误代码与之关联
int si_code;//说明进程如何接收信号以及从何处收到
pid_t si_pid;//适用于SIGCHLD，代表被终止进程的PID
pid_t si_uid;//适用于SIGCHLD,代表被终止进程所拥有进程的UID
int si_status;//适用于SIGCHLD，代表被终止进程的状态
clock_t si_utime;//适用于SIGCHLD，代表被终止进程所消耗的用户时间
clock_t si_stime;//适用于SIGCHLD，代表被终止进程所消耗系统的时间
sigval_t si_value;
int si_int;
void * si_ptr;
void* si_addr;
int si_band;
int si_fd;
};

其中第10行中sigval_t为联合数据类型，其原型为：
typedef union sigval {
        int sival_int;
        void *sival_ptr;
        }sigval_t

sigaction()通过参数siginfo_t.si_valu获得sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval val) 传递过来的val参数。其实siginfo_t.si_int直接与sigval.sival_int关联siginfo_t.si_ptr直接与sigval.sival_ptr关联，通过这两个参数也同样可以获得sigqueue()传递的第三个参数。

2）sa_mask:用来设置信号屏蔽字，该屏蔽字由一个信号集定义。
3）sa_flags:指定了对信号处理的选项。下表为常用字段：

选项	定义
SA_NODEFER	不把信号添加到信号屏蔽字中
SA_SIGIFO	指定信号处理函数需要三个参数，所以指定处理信号操作时应选择sa_sigaction而不是sa_handler
SA_RESETHAND	调用信号处理函数后，把信号处理函数重置为默认(SIG_DFL).此时效果相当于signal()，它默认会重置。
SA_RESTART	由此信号中断的系统调用会自动启动
SA_NOMASK	就是SA_NODEFER的别名，它不支持POSIX,所以为了软件的可移植性一般不使用此标志

/** sigaction() 函数简单例程 ***/
#include<signal.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

void sig_int(int sig) // 信号的响应函数
{
    printf("Get signal: %d\n",sig);
}

void main()
{
    /** 初始化 sigaction 结构 **/
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = sig_int;
    sigemptyset(&act.sa_mask);  //将参数set信号集初始化并清空
    act.sa_flags = 0;

    sigaction(SIGINT, &act, 0);  // 注册信号。只需注册一次，区别与使用signal()函数时每次都需要重新注册
    while(1)
    {
     printf("LuoYe !\n");
     sleep(1);
    }
}

执行的结果跟 signal()例程一样。

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还有一些与信号机制相关的要点（信号集）及函数，在另外的blog在介绍。http://blog.chinaunix.net/uid-29145190-id-4339938.html
本人在阅读 ser2net 源码时发现自己对“信号机制”的理解有所欠缺。所以重新捡起“信号机制”，本文就是在学习过程中的一些记录，顺便分享下。本人菜鸟一个，主要参考了网上大神们的技术帖，稍稍加入了一些个人的理解。可能会有些错误，仅作参考。