信号基本原理

Linux是一种多用户多任务的操作系统，系统内会有多个进程存在。无论是操作系统与用户进程之间，还是用户进程之间，经常需要共享数据和交换信息。进程间相互通信的方法有多种，信号便是其中最为简单的一种，它用以指出某事件的发生。在Linux系统中，根据具体的的软硬件情况，内核程序会发出不同的信号来通知进程某个事件的发生。对于信号的发送，尽管可以由某些用户进程发出，但是大多数情况下，都是由内核程序在遇到以下几种特定情况的时候向进程发送的，例如：

1． 系统测出一个可能出现的硬件故障，如电源故障。

2． 程序出现异常行为，如企图使用该进程之外的存贮器。

3． 该进程的子进程已经终止。

4． 用户从终端向目标程序发出中断（BREAK）键、继续(CTRL-Q)键等。

当一个信号正在被处理时，所有同样的信号都将暂时搁置（注意，并没有删除），直到这个信号处理完成后，才加以理会。

当一个进程收到信号后，用下列方式之一做出反应∶

1．忽略该信号；

2．捕获该信号(即,内核在继续执行该进程之前先运行一个由用户定义的函数);

3．让内核执行与该信号相关的默认动作。

现在用一个例子来简要说明信号的发送、捕获和处理，通过它，你就可以对信号有一个大致的印象。例如，当某程序正在执行期间，如果发现它的运行有问题，我们可以用ctrl-c或delete键打断它的执行，这实际上就是向进程发送了一个中止信号。该进程收到这个中止信号后，可以根据事先的设定，对该信号做出相应的处理，如ctrl-c或delete键被定义为一个中止信号，进程接受到这个信号，便中途退出了。上面是用信号去中断另一个进程的实例。除此以外，内核还可以通过发信号来通知一个进程:它的子进程已经终止,或通知一个超时进程：它已被设置警报（alarm）。

接下来我们开始详细介绍Linux系统中的一些与信号相关的函数。

我们介绍的第一个函数是signal ()函数，它定义在ANSI 库中 ，该函数原型如下:

void * signal(int signum, void * handler);

它的第一个参数是将要处理的信号。第二参数是一个指针，该指针指向以下类型的涵数∶

void func();

当信号signum产生时，内核会尽快执行handler函数。一旦handler返回,内核便从中断点继续执行进程。第二参数可以取两个特殊值：SIG_IGN和SIG_DFL。SIG_IGN用以指出该信号应该被忽略；SIG_DFL用以指示，内核收到信号后将执行默认动作。尽管一个进程不能捕获SIGSTOP和SIGKILL信号，但是内核可以执行与该信号有关的默认动作作为替代,这些默认动作分别是暂停进程和终止进程。


重发信号

当一个正在为SIGx运行handler的进程收到另一个SIGx信号时，它应该如何处理？通常,人们会希望内核中断该进程而再一次运行handler。为此，就要求无论何时调用handler，它都必须完全可用——即使当时她正在运行也必须如此。也就是说，要求handler必须是“可重入的（re - entrant）”。然而,设计可重入的handlers是件相当复杂的事情，因此, linux没有采用此种方案。

对于重发信号问题，起初的解决方案是：在执行用户定义的handler之前，重新将handler设置为SIG_DFL。然而，事实证明这是一个拙劣的解决方案，因为当两个信号迅速出现时,每个都给以不同地处理。内核为第一个信号执行handler而为第二个执行默认动作。这样,第二信号有时会导致该进程终止。因此，这个实现被称作"不可靠的信号( unreliable signals) "。

在下一节中,我们将看到POSIX signal API是怎样“漂亮地”解决这个难题的。

POSIX信号
POSIX signal API提供了一种新的机制，它能够处理多个信号而不必中断当前进程。

对于POSIX的信号实现来说，当一个进程正在处理一个信号时，如果有其他的信号到达，那末这些“其他的”信号将被挂起，直到该handler返回为止。可是，当一个SIGx信号在挂起之际，如果又发来另一个SIGx信号,那么内核仅把一个信号递送给该进程——也就是说，有一个信号丢失了。实际上这算不上是个大问题，因为信号除了信号号码本身之外不传送任何的信息。因此,在一个非常短的周期内多次发送一个信号相当于只将它发送一次。

信号集

POSIX signal函数(在中)运行在用sigset_t数据类型封装的信号集之上。这里是他们的原型和说明∶

int sigemptyset(sigset_t * pset); -- 将pset中的信号全部清除

int sigfillset(sigset_t * pset); -- 将全部有效的信号填入pset

int sigaddset(sigset_t * pset, int signum); -- 将信号signum添加到pset

int sigdelset(sigset_t * pset, int signum); -- 从pset中删除信号signum。

int sigismember(const sigset_t * pset, int signum); -- 如果signum属于pset，返回一个非零值；否则为0。

记录Handler

为记录handler,需要调用sigaction（）函数，原型如下∶

int sigaction(int signum, struct sigaction * act, struct sigaction * prev);

sigaction ()的作用是为信号signum设置handler。内核对signum的处理将在参数act中加以描述，sigaction类型如下：

struct sigaction {
sighanlder_t sa_hanlder; sigset_t sa_mask; unsigned long sa_flags; void (*sa_restorer)(void); /*从来不用* /};

sa_hanlder是一个指针，它指向以下类型的函数∶

void handler (int signum);

另外,它还有两个特值：SIG_DFL和SIG_IGN。sa_mask域包含了所有当handler运行时内核将阻塞的信号。注意，不管sa_mask的值为何,正在被处理的信号总是被阻塞。当然，通过适当设定sa_flags域的flags，你还是可以逾越这个特性的。通过逐位或运算，这些flags可以取下列一个或多个值：

1．SA_NOCLDSTOP - -确保父进程当它的一个子进程停止时不会收到一个SIGCHLD信号。
2．SA_NOMASK - -逾越该信号的默认阻塞，如果它的handler当前正在执行的话。这些flag能模拟ANSI的不可靠的信号。
3．SA_ONESHOT -重新设置signum的handler为SIG_DFL。这些flag模拟ANSI signal ()函数的行为
4．SA_RESTART - -当handler退出时，确保syscall重新启动。

如果sigactions的最后的参数不是NULL,在sigaction ()被调用之前用signum的序列填入。为了能够获得当前的信号序列而不改变它,应该把NULL作为第二个参数传递，然后将正确的sigaction指针作为第三个参数传递.

高级信号处理

 

在我们最后的讨论中，将涉及信号处理的一些高级话题,如信号挂起和等待一个信号等。

获得当前信号掩码

进程当前被阻塞的信号集被称作“信号掩码”。为了获得或改变当前信号掩码 ，可以调用 sigprocmask ()函数∶

int sigprocmask(int mode, const sigset_t * newmask, sigset_t

oldmask);
第一个参数可以取下列值∶

SIG_BLOCK - -将newmask中的全部信号加入到当前信号掩码中。
SIG_UNBLOCK - -从当前信号掩码中，将newmask的所有信号全部删除
SIG_SETMASK -仅阻塞newmask内的信号；将其余的信号解除阻塞。

如果oldmask不是NULL,那么就把当前的信号掩码( sigprocmask被调用之前)拷贝给它。下列代码可用于检索一个进程的当前信号掩码∶

sigset_t oldmask;
sigemptyset(&oldmask); sigprocmask(SIG_BLOCK, NULL, &oldmask);


阻塞信号

我们经常需要在一段程序代码中阻塞进入的信号，而这段代码和信号的handler却可能在同时修改数据。对于一个SIGALRM信号，考虑下面的handler∶

char *Flags=someString; /*一个全局字符串*/
void handleAlarm(int sig){ free(someString); someString=NULL; }

当程序正在处理Flags时，如果一个SIGALRM信号被送达，这时将发生什么？

for (i=0; i<10; ++i)
Flags[i]=CLEAR;

后果是灾难性的——循环语句正在往其中写数据，而handler却释放了Flags。为避免上述情况,在进入循环之前我们必须阻塞SIGALRM，过后再为其解除阻塞。

sigset_t alrm;
sigemptyset(&alrm); sigaddset(&alrm, SIGALRM); sigprocmask(SIG_BLOCK, &alrm, NULL); /*阻塞*/ for (i=0; i<10; ++i) /*安全地处理Flags*/ Flags[i]=OK; sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &alrm, NULL);/*解除阻塞*/

为了列出所有当前挂起的信号,可以调用sigpending ()函数∶

int sigpending(sigset_t * pending);

调用sigpending ()后, pending将包含全部当前闭塞信号。

等待信号

基于事件的应用程序，总是等待一个信号的出现，直到信号出现才开始运行。为此，要使用中的pause()函数：

int pause(void);

直到一个信号已经投递给该进程之后，pause ()才返回。如果存在一个与信号匹配的handler, 那么handler将在pause ()返回之前执行。换句话说,你可以调用在中的sigsuspend (),如同下述∶

int sigsuspend(const sigset_t * tempmask);

sigsuspend ()暂停该进程直到一个信号已经被投递。但是不同于pause (),在等待一个信号出现之前，它临时设置该进程的掩码为tempmask。一旦信号出现,该进程的信号掩码就会恢复为sigsuspend ()被调用之前的值。同时，pause ()（它和 sigsuspend ()两者都返回- 1）将设定errno为EINTR.

结束语

在Linux这种多用户多任务的环境中，为了完成一个任务有时候需要多个进程协同工作，这必然牵扯到进程间的相互通信。本文给出了作为进程间通信的最简单的一种——信号的发送、捕获和处理的大致过程，并介绍了与其相关的几个常用的函数，希望阅读本文后能够使你加深对它的了解。