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2006-10-23 16:00:48
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--bob
读这份文档之前，建议先浏览一下 《Unix Advanced Programming》里面的signal一章和下面这份出自IBM论坛的文章：进程间通信 信号（上） http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index1.html ，和 进程间通信 信号（下）http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html 该作者写了一个系列的进程间通信的文章， 我只是希望对该篇作个补充！
因为它们都没有从源代码的角度分析，所以我尝试了一下把上层应用与kernel实现代码分析结合起来，这样使用者才可能真正的理解signal的用法和原理！
目前介绍signal理论和用法书不少，缺点是只介绍其用法，非常深奥拗口，不容易理解； 而介绍kernel源代码的书，侧重于代码分析，不讲实际应用！
我就想到如果把两者结合起来，对上层使用signal函数的用户必然能知起所以然了，而且只要顺着我的代码注释大概粗读一下源码就可以理解 signal的特性和用法以及你碰到的种种疑惑和不解了。
如果你对signal的特性和用法有什么疑惑的话，如果对kernel也感兴趣的话， 就可以继续读源码 ， 把这篇文章加以补充和完善！ 前提是遵守上面的声明！
因为工作的需要，用了2天的时间详细的读了一下 linux kernel
有的时候看着一个系统调用成堆的手册页，还真不如看看它的实现来得更快， 当然两下对照着看就快了。
另外提醒大家 <
在此通过阅读源码，弄清楚了5个问题，每个问题我都给出了结论，当然这些结论肯定是正确的，至少《Unix Advanced Programming》是这样认为的， 我只是从kernel的角度是验证它的正确性(简单的写了几个测试程序，以验证kernel的做法)，而且也归纳了 一些结论，比如如何避免 Zobie进程 等。 相信对大家会有价值，也可以mail讨论！或者上相应的论坛！
首先总结一下：在PC linux（RHT 9.0 + kernel-
Ctrl + c SIGINT(2) terminate ，以前我总想当然以为是 SIGTERM(15)！
Ctrl + \ SIGQUIT(3) terminate
Ctrl + z SIGTSTP(20) 挂起进程
对于一般应用：
挂起一个进程： kill(pid, SIGSTOP) 或 kill(pid,SIGTSTP) , 或 SIGTTIN , SIGTTOU 信号
恢复一个进程 kill(pid,SIGCONT);
....
剩下的大家都清楚了，这里就不罗嗦了。
子进程结束时候发给父进程的信号： SIGCHLD ，这个比较特殊 ， 且看下面3>的论述
Agenda ：
1>不可靠的信号
2>Zombie进程（僵尸进程）与signal
3>特殊的SIGCHLD 信号
4>信号与进程的关系 ，进程的要求
5>pause() 与 signal
6>关于信号的技巧
1> 不可靠的信号（linux继承Unix的结果，考虑兼容性） ， 和可靠的信号（主要就是信号可以排队处理，信号不丢失，linux自己的，但大家好像用的不多）
什么是不可靠的信号：简单的说，就是当你向一个进程发送 singal( 1～31，注意这里讨论是 1～31 )的时候 ， 当进程还没有处理该信号（这时候叫pending，未决信号)或者是正在调用信号处理函数的时候， 进程又收到了一个同样的信号 ， kernel会把第二个信号丢弃，或者叫和一个信号合并,这样的信号就是 不可靠的信号 ，具体正方面的比较权威的解释请参考 http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index1.html ,这篇文章对于信号理论介绍的非常详细清楚明白，个人认为比《Unix advanced Programming》要更好！
系统实现是这样的：
==> kernel/signal.c
int send_sig_info(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t)
{
.............................................
/*
如果当前进程的未决信号集中已经包括了这个信号，就不重新注册后来现在的同样的信号了，
据个例子： 给进程发了 SIGTERM 信号 ， 但是kernel还没有来得及处理（进程只有在kernel空间即将返回道用户空间的时候，
kernel才会检测pending信号 ,然后才会调用do_signal()函数去处理）
这个时候又发了一个SIGTERM，那么第二个SIGTERM 肯定要被cut掉了。
*/
if (sig < SIGRTMIN && sigismember(&t->pending.signal, sig)) //SIGRTMIN 是分水岭 ， 小于它的都是不可靠的信号，否则就是实时信号
goto out; //跳出了正常执行的范围
....................................................
}
！正确的： 1～31都是不可靠的信号！ SIGRTMIN ～SIGRTMAX都是可靠的信号！
以前大家有个误区：
！误区1>
以为不可靠的信号，是指 给进程发了一个信号（之前没有发过），那么这个信号可能丢失，也就是进程收不到
这样的理解是错误的， 根据上面的定义 ， 应该是”一个信号发了多遍，后来的信号丢失了， 而不是第一个丢了“。
具体的原因可以参照上面的代码分析，就一目了然，还可以看 《unix advanced programming 》，不过我觉得它讲的都是老的Unix ，对Linux只能是参考而已！
！误区2>
signal() 发送的是不可靠的信号 ，而 sigaction()发送的是可靠的信号
只要是1－31的信号，它就是不可靠的信号。无论在注册信号处理函数的时候用的是sigaction() ，还是signal() ，只要你发送的信号 是 1-31，那么就是不可靠的信号。中国有句俗语叫”烂泥扶不上墙“，我看放在这里挺合适！
signal（）和 sigaction()的差别到底在哪里呢？ 通过对比一看便知：
对于signal() ，它的kernel实现函数，也叫系统调用服务历程sys_signal()
==>kernel/signal.c
asmlinkage unsigned long
sys_signal(int sig, __sighandler_t handler)
{
struct k_sigaction new_sa, old_sa;
int ret;
new_sa.sa.sa_handler = handler;
new_sa.sa.sa_flags = SA_ONESHOT | SA_NOMASK;
//SA_ONESHOT：当执行一次信号处理程序后， 马上恢复为SIG_DFL ，
//SA_NOMASK : 表示在信号处理函数执行期间，不屏蔽的当前正在处理的那个信号
ret = do_sigaction(sig, &new_sa, &old_sa); //sys_sigaction 也调用这个函数
return ret ? ret : (unsigned long)old_sa.sa.sa_handler;
}
而sigaction（）函数的kernel实现是： sys_sigaction()
==>arch/i386/kernel/signal.c
asmlinkage int
sys_sigaction(int sig, const struct old_sigaction *act,struct old_sigaction *oact)
{
struct k_sigaction new_ka, old_ka;
int ret;
if (act) {
old_sigset_t mask;
if (verify_area(VERIFY_READ, act, sizeof(*act)) ||
__get_user(new_ka.sa.sa_handler, &act->sa_handler) ||
__get_user(new_ka.sa.sa_restorer, &act->sa_restorer))
return -EFAULT;
__get_user(new_ka.sa.sa_flags, &act->sa_flags);
__get_user(mask, &act->sa_mask);
siginitset(&new_ka.sa.sa_mask, mask);
}
ret = do_sigaction(sig, act ? &new_ka : NULL, oact ? &old_ka : NULL);//都调的这个函数
if (!ret && oact) {
if (verify_area(VERIFY_WRITE, oact, sizeof(*oact)) ||
__put_user(old_ka.sa.sa_handler, &oact->sa_handler) ||
__put_user(old_ka.sa.sa_restorer, &oact->sa_restorer))
return -EFAULT;
__put_user(old_ka.sa.sa_flags, &oact->sa_flags);
__put_user(old_ka.sa.sa_mask.sig[0], &oact->sa_mask);
}
return ret;
}
signal()和sigaction() 都是用do_signaction()来包装的，都是用 struct sigaction()这个结构体的，差别在下面标出来了
struct sigaction {
__sighandler_t sa_handler; //2// typedef void (*__sighandler_t)(int); signal()和sigaction()函数都要求要户提供信号处理函数
unsigned long sa_flags; //signal()函数默认就用 SA_ONESHOT | SA_NOMASK; //sigaction()要由用户自己指定！
void (*sa_restorer)(void); //没用了
sigset_t sa_mask; //执行信号处理函数的时候要阻塞的信号，signal()使用默认的，就屏蔽正处理的信号，其他的不屏蔽，sigaction() 要求用户自己指定!
};
? 讨论时间： 读到这里我有个疑问：sys_signal()函数明明把 sa_flags = SA_ONESHOT | SA_NOMASK; 而且在kernel执行信号处理函数之前，它会检查SA_ONESHOT标志 ，如果有这个标志， 就把sa_handler = SIG_DFL ,代码如下：
==>arch/i386/kernel/signal.c
static void
handle_signal(unsigned long sig, struct k_sigaction *ka,
siginfo_t *info, sigset_t *oldset, struct pt_regs * regs)
{
...........................................................
/* Set up the stack frame */
if (ka->sa.sa_flags & SA_SIGINFO)
setup_rt_frame(sig, ka, info, oldset, regs);
else
setup_frame(sig, ka, oldset, regs);
//here ， 我加了debug信息， 确实执行到这里了，
if (ka->sa.sa_flags & SA_ONESHOT){ //sys_signal()函数明明设置了这个标志
//通过debug ，知道居然没有到这里，就说明， sa_flags 根本就没有SA_ONESHOT标志了 ，可是sys_signal() 却又明明设置了这个标志，而且我搜索过， 根本没有地方，取消了 SA_ONESHOT 标志
printk("<0> the signal (%d) handler will reset to SIG_DFL\n",sig);
ka->sa.sa_handler = SIG_DFL; //这难道还不明确吗？
if (!(ka->sa.sa_flags & SA_NODEFER)) {
spin_lock_irq(¤t->sigmask_lock);
sigorsets(¤t->blocked,¤t->blocked,&ka->sa.sa_mask);
sigaddset(¤t->blocked,sig);
recalc_sigpending(current);
spin_unlock_irq(¤t->sigmask_lock);
}
}
既然这样的话 ，如果我们调用signal（）就应该在信号处理函数中反复注册自己的信号处理函数才对 ， 否则无法处理下一个同样的信号了。
比如 void signal_catch(int signo)
{
//信号处理函数细节
//最后一行
signal(signo, signal_catch); //再注册一遍， 否则就变成 SIG_DFL 了 。
}
对于这个问题 《Unix Advanced Programming》 也提到过，说早期的Unix 也存在这个问题， 是信号不可靠的一个原因 （见 P206）
但是实际上我们在用signal()函数的时候， 我们好像并不需要这么作 ，比如一个简单的测试程序。
比如下面:
void sigterm_handler(int signo)
{
printf("Have caught sig N.O. %d\n",signo);
//按照kernel代码，应该还要有signal(signo,sigterm_handler); 才对呀 ，但事实上，我们大家都知道没有必要这样用 ，为什么呢？ 请前往论坛讨论： =
}
int main(void)
{
printf("-------------111111111111111-------------\n");
signal（SIGTERM,sigterm_handler);
pause();
printf("----------222222222222222----------------\n");
pause();//如果按照kernel代码里面写的， 当再发一个SIGTERM信号的时候， sa_handler 就编程SIG_DFL 了，那默认就是 //terminate ，所以不会打出来 333333333333333333 了，
printf("-------------3333333333333333----------\n");
return 0;
}
但是执行结果确实：
333333333333333333333333 也打出来了， 这就又说明signal函数 ，不需要反复注册信号处理函数 ， 这不就矛盾吗？
所以现在问题就是
if (ka->sa.sa_flags & SA_ONESHOT){
ka->sa.sa_handler = SIG_DFL;
是在什么情况下改变了 sigaction->sa_flags (去掉了 SA_ONESHOT 标志呢？)我在代码里面搜索不到啊！
如果感兴趣的朋友可以前往论坛讨论：
2> 僵尸进程：也叫Zombie进程：
主 要指：进程结束后，它的父进程没有调用wait或waitpid（）对子进程进行回收， 所以子进程还干占着一个task_struct 呢，关于kernel如何杀死Zombie 请看 kernel/exit.c ==>sys_wait4() 函数 ， waitpid 就是sys_wait4()实现的！
首先看看正确的编程方法：
当一个进程fork（）出一个子进程的时候 ，正确的情况下，父进程应该回收进程的资源：通过下面两个办法中的一个即可避免Zombie（僵尸进程）：
Ø 父进程显式的忽略SIGCHLD 信号
只要在fork一个子进程之前加上这么 一行： signal(SIGCHLD, SIG_IGN); //这样肯定不会出现僵尸进程，为什么呢？ 看kernel的代码吧：
==>asm/i386/signal.c ==>do_signal()
ka = ¤t->sig->action[signr-1];//¤t->sig : signal_struct
if (ka->sa.sa_handler == SIG_IGN) {
if (signr != SIGCHLD)
continue; //对于信号处理方式是 SIG_IGN ， 非SIGCHLD的信号 ,kernel什么也不作！ SIGCHLD 比较特殊啊！
/* Check for SIGCHLD: it's special.
类似调用waitpid（）来回收child process的进程表项
*/
//SIG_CHLD 信号的行为设置为SIG_IGN , 由内核来处理僵死进程。
//如果你的程序中没有特别的要求需要处理SIGCHLD , 为了避免僵尸进程（Zombie进程），你可以显式的忽略它，kernel会调用sys_wait4（）来处理僵尸进程的），它执行一个while() loop , 来处理系统中所有的僵尸进程，老黄牛精神啊！
while (sys_wait4(-1, NULL, WNOHANG, NULL) > 0) // 看看是不是和waitpid的用法一样啊！
/* nothing */;
continue;
}
如果 SIGCHLD 是默认的 SIG_DFL 的话：kernel就不管了，所以肯定会有僵尸进程的！
==>asm/i386/signal.c ==>do_signal()
if (ka->sa.sa_handler == SIG_DFL) {
int exit_code = signr;
/* Init gets no signals it doesn't want. */
if (current->pid == 1) //谁都不可以给init(1) 进程发信号，这样说比较准确： 发了也白发，kernel不认可
continue;
switch (signr) {
case SIGCONT: case SIGCHLD: case SIGWINCH: case SIGURG:
continue; //对于SIGCHLD 信号，kernel对它默认是忽略的， （请不要和SIG_IGN 混淆了）
//所以很明显， kernel并没有调用sys_wait4() 来处理僵尸进程 ，你要自己处理了，^_^
..............
}
Ø 父进程给SIGCHLD信号注册handler（里面调用waitpid（）回收child Zombie process)
比如：这样写：
while(waitpid(-1,NULL,WNOHANG) > 0) { //自动处理所有的僵尸进程，当然你可以不用while，只调用一次，看需要 ： 比如父进程是个http server，就会fork（）出很多子进程 ， 所以while()是有必要的。
//WNOHANG 很关键，如果没有僵死进程，就马上返回 ，这样while（）才可以结束啊 ， 可是wait（）就没有这个参数， 所以wait就阻塞了。所以一般情况下，我们用waitpid还是最好的了！
;//什么也不必作了， 可以打印看看到底回收了哪些进程pid
}
！如果你没有用上面任何一个办法， 太遗憾了， 就会出现僵尸进程了！
ps ax 命令可能会显示：
22149 tty8 S 0：00 test_pro
22150 ? Z 0:00 [test_pro
怎么杀掉呢？ 你就杀掉 它的父进程就好了。 kill -SIGTERM 22149 , 你在ps ax 看看 ，两个进程都没有了。
避免僵尸进程的第三种办法
FYI ：个人不推荐！ 因为上面两种方法已经够用了， 除非你还有其他的要求，比如 使子进程无法获得控制终端，这种情况下， 就必须fork()两次了 。 否则一般情况下，我们需要父子进程同步和通信的， 父亲和儿子交流尚且比较方便（用pipe最好，配合使用select（）） ， 你让爷爷和孙子通信不是比较困难吗？ 两代人的代沟呢。。。。
当然你也可以fork()两次， 父亲(比如http server，循环处理，不死鸟） -> 儿子（死掉） -> 孙子进程（处理每次的任务，正常结束，就不会成为Zombie）
杀死儿子,有点残忍，不过为了国家和人民的利益大义灭亲吧，咳！！都是linux也的祸
下面是事例代码：
pid_t pid = 0;
pid = fork();
if(pid < 0)
//error
exit( -1);
else if(pid > 0)
//这里可能是个Server一类的， 父亲进程永远不会结束的，式while（） 循环
else {
//现在儿子 process 了，
if(pid = fork() < 0)
//error
exit(-1);
else if(pid > 0) //儿进程也结束了
exit(0);//立刻杀死儿子进程 ，这样孙子就成孤儿了， 有爷爷也算孤儿？ 咱们国家就这么规定的，^_^ ， 孙子进程会被init（1）领养的。这样孙子就有饭吃了， 呵呵！看来全世界都一样啊！
else { //到孙子进程了。
//执行一些代码
exit(0);
}
}
对于 原理其实很简单： 儿子死了， 只有孙子了， 孙子是孤儿了，那么init(1)进程就会领养这个 孤儿， 同时孤儿就认为init(1)就是它的父进程，由init进程负责收尸！
3> 特殊的 SIGCHLD 信号
SIGCHLD 特殊在哪里呢？？ 一般情况下， 子进程结束后 ，都会给父进程发送 SIGCHLD 信号 ，但是这不是绝对的 。
当一个父进程fork（）一个子进程后， 当父进程没有为SIGCHLD 注册新的处理函数，比如默认 SIG_DFL ,那么当子进程结束的时候，就不会给父进程发送SIGCHLD 信号 。 从代码的角度： 执行到send_sig_info()，会在isgnore_signal() 函数里面做是否要发信号的判断，结果 SIGCHLD被忽略了！
就是普通的进程，你也不能随便发一个信号唤醒它， 比如 发 SIGCONT 信号，
且看下面的代码分析：
/*
* Determine whether a signal should be posted or not.
*
* Signals with SIG_IGN can be ignored, except for the
* special case of a SIGCHLD.
*
* Some signals with SIG_DFL default to a non-action.
*/
//定义了那些信号要被忽略!
static int ignored_signal(int sig, struct task_struct *t)
{
/* Don't ignore traced or blocked signals */
if ((t->ptrace & PT_PTRACED) || sigismember(&t->blocked, sig))
return 0;
return signal_type(sig, t->sig) == 0;
}
/*
* Signal type:
* < 0 : global action (kill - spread to all non-blocked threads)
* = 0 : ignored
* > 0 : wake up.
*/
//
#define SIG_DFL ((__sighandler_t)0) /* default signal handling */
#define SIG_IGN ((__sighandler_t)1) /* ignore signal */
#define SIG_ERR ((__sighandler_t)-1) /* error return from signal */
//
static signal_type(int sig, struct signal_struct *signals)
{
unsigned long handler;
//-----------------------------空信号 ignore -----------------------------
if (!signals)
return 0; //
handler = (unsigned long) signals->action[sig-1].sa.sa_handler;
if (handler > 1) //该信号有特定的信号处理函数不能ignore ，必须wake_up ()
return 1; //can't ignore
// -----父进程设置SIGCHLD 的处理方式为 SIG_IGN : 子进程结束的时候不会给父进程发信号，也就无法唤醒了。
/* "Ignore" handler.. Illogical, but that has an implicit handler for SIGCHLD */
if (handler == 1)
return sig == SIGCHLD;//当信号是 SIGCHLD的时候，信号不能被忽略，其他的要被活略
// --------------------------当把信号设置为SIG_DFL 时的情况---------------------
/* Default handler. Normally lethal, but.. */
switch (sig) {
/* Ignored */
case SIGCONT: case SIGWINCH:
case SIGCHLD: case SIGURG:
return 0; //这些信号忽略干脆就忽略了 ，那你可能奇怪了？那SIGCONT 信号如何唤醒 TASK_STOPPED状态的进程呢？ 如果你有这个疑问 ，请看 5>的讨论！
/* Implicit behaviour */ //can't ignore
case SIGTSTP: case SIGTTIN: case SIGTTOU: //这些信号就时要中止进程的
return 1; //这些信号会唤醒该进程的， 程序会接着望下跑的， 最后 把进程的状态置为 TASK_STOPPED 的。
/* Implicit actions (kill or do special stuff) */
default: //对于象SIGKILL , SIGTERM ,SIGQUIT 这样的信号直接就默认操作，一般就是terminate 该进程
return -1;
}
}
怎么在应用程序验证上述kernel的代码呢
既然提到了”唤醒“ ，肯定要用上 pause(2)函数了， 且看pause（2）的manunal ：
DESCRIPTION
The pause library function causes the invoking process (or thread) to
sleep until a signal is received that either terminates it or causes it