Linux进程通讯：信号(signal)

1.   信号基本概念

信号（signal）是linux进程通讯中唯一的异步通讯方式。

信号从软件层次上看是对中断机制的一种模拟。一个进程收到信号时的处理方式与CPU收到中断请求时的处理方式一样。收到信号的进程会跳入信号处理函数，执行完后再跳回原来的位置继续执行。

信号来源：有一类信号是已经被定义好的，如数据异常、指令异常、定时器、abort等。他们都有自己特殊的用法，如：发生异常时会触发异常信号。还有一类是自定义信号，

 

2.   信号分类 2.1.  可靠与不可靠

Linux中的信号有64个，分为可靠信号与不可靠信号两种。

不可靠信号：

Linux信号机制来继承自Unix系统，信号值小于SIGRTMIN(SIGRTMIN=32，SIGRTMAX=63)的信号都沿用了Unix的实现方式，这种方式的信号可能会丢失，所以称为不可靠信。不可靠信号的处理机制类似于中断，同一个信号同时发生多次时，会合并为一个信号，其它都会丢失。

不可靠信号都是有预定值的，每个信号都有确定的用途及含义，并且每个信号都有各自缺省的动作。如按ctrl+c时，会产生SIGINT信号，对应的默认反应是进程终止。

可靠信号：

Linux在支持Unix不可靠信号的同时，还支持改进后的可靠信号。信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号，可靠信号克服了信号可能丢失的问题。可靠信号类似于linux的软中断机制，实际上就是支持信号的排队，这样同一个信号同时发生多次时可以排队等待执行，不会丢失。

可靠信号没有被预定义，可以用于应用进程。可靠信号也都有缺省动作，默认反应都是结束进程。

 

2.2.  预定义与自定义

预定义信号：

不可靠信号同时也是预定义信号，它们都是有预定值的。每个信号都有确定的用途及含义，一般不会被用做其它用途，默认反应都是结束进程。每个信号根据其用途都有各自缺省的动作，如按ctrl+c时，会产生SIGINT信号。

自定义信号：

可靠信号同时也是自定义信号，它们没有被预定义。自定义可以用于应用进程，它们也都有缺省动作，默认反应都是结束进程。

3.   Hello world

程序：

#include

#include

#include

 

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;

    sigaction(sig, &act, NULL);

   

    while(1)

    {

        printf("hello world\n");

        sleep(2);

    }

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

    printf("***** receive signal %d ******\n", signum);

    sleep(5);

}

 

执行：

Ø  启动程序：“./a.out 38&”  (注：&作用是程序在新进程中执行)

Ø  使用ps查看进程PID

Ø  执行“kill –s 38 pid”  （注：pid为上面用ps得到的pid）

Ø  会打印“***** receive signal %d ******\n”

Ø  执行“kill –s 2 pid”  （注：测试未启动的信号）

Ø  程序会退出

 

4.   信号基本函数

信号的安装函数有两个：signal()与sigaction()。signal()常用于非实时信号；sigaction()常用于实时信号，它有更多的选项设置，最重要的是可以为实时信号安装带参数的回调。

信号的发送函数有6个：kill()与sigqueue()是最基本的信号发送函数，kill()用于发送不带参数的信号，sigqueue()用于发送带参数的信号；raise()函数是对kill的简单封装，只能给本进程发送信号。abort()是对SIGABRT信号的封装，可用kill()函数代替。alarm()专为SIGALRM设计，最大特点是可以实现信号的延迟发送，类似于一次性的定时器实际上就是：“定时器”＋“信号”。setitmer()是更高级的定时器，它可以实现非周期定时器与周期定时器，还有更多的定时器类型。

4.1.  信号安装

4.1.1.    signal()

原型：

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

参数：

signum信号值

handler 处理函数，可以忽略该信号（参数设为SIG_IGN）；可以采用系统默认方式处理信号(参数设为SIG_DFL)；也可以自己实现处理方式(参数指定一个函数地址)

返回值：

调用成功，返回最后一次为安装信号signum而调用signal()时的handler值；失败则返回SIG_ERR

说明：

用于改变进程接收到特定信号后的行为，只能用于非实时信号（前32号）。

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));

 

头文件：

#include

 

4.1.2.    sigaction()

原型：

int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact))

参数：

signum信号值，可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号（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，可以为空，进程会以缺省方式对信号处理

oldact第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理，可指定oldact为NULL

返回值：

调用成功，返回最后一次为安装信号signum而调用signal()时的handler值；失败则返回SIG_ERR

说明：

用于改变进程接收到特定信号后的行为，可用于所有的信号。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

头文件：

#include

 

第二个参数最为重要，其中包含了对指定信号的处理、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。

sigaction结构定义如下：

struct sigaction {

    union{

        __sighandler_t _sa_handler;

        void (*_sa_sigaction)(int, struct siginfo *, void *);

    }_u

    sigset_t sa_mask；

    unsigned long sa_flags；

    void (*sa_restorer)(void)；  /* 已废弃，不应被使用 */

}

 

其中，sa_restorer，已过时，POSIX不支持它，不应再被使用。

1、联合数据结构中的两个元素_sa_handler以及*_sa_sigaction指定信号关联函数，即用户指定的信号处理函数。除了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)，也可以为SIG_IGN（忽略信号）。

2、由_sa_handler指定的处理函数只有一个参数，即信号值，所以信号不能传递除信号值之外的任何信息；由_sa_sigaction是指定的信号处理函数带有三个参数，是为实时信号而设的（当然同样支持非实时信号），它指定一个3参数信号处理函数。第一个参数为信号值，第三个参数没有使用（posix没有规范使用该参数的标准），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，参数所指向的结构如下：

siginfo_t {

    int      si_signo;  /* 信号值，对所有信号有意义*/

    int      si_errno;  /* errno值，对所有信号有意义*/

    int      si_code;   /* 信号产生的原因，对所有信号有意义*/

    union{  /* 联合数据结构，不同成员适应不同信号 */ 

        //确保分配足够大的存储空间

        int _pad[SI_PAD_SIZE];

        //对SIGKILL有意义的结构

        struct{

            ...

        }...

        ...

        ...

        //对SIGILL, SIGFPE, SIGSEGV, SIGBUS有意义的结构

        struct{

            ...

        }...

        ...

    }

}

 

注：为了更便于阅读，在说明问题时常把该结构表示为下面的形式。

siginfo_t结构中的联合数据成员确保该结构适应所有的信号，比如对于实时信号来说，则实际采用下面的结构形式：

typedef struct {

    int si_signo;

    int si_errno;

    int si_code;

    union sigval si_value;

} siginfo_t;

 

结构的第四个域同样为一个联合数据结构：

union sigval {

    int sival_int;

    void *sival_ptr;

}

 

采用联合数据结构，说明siginfo_t结构中的si_value要么持有一个4字节的整数值，要么持有一个指针，这就构成了与信号相关的数据。在信号的处理函数中，包含这样的信号相关数据指针，但没有规定具体如何对这些数据进行操作，操作方法应该由程序开发人员根据具体任务事先约定。

调用sigqueue发送信号时，sigqueue的第三个参数就是sigval联合数据结构，当调用sigqueue时，该数据结构中的数据就将拷贝到信号处理函数的第二个参数中。这样，在发送信号同时，就可以让信号传递一些附加信息。信号可以传递信息对程序开发是非常有意义的。

信号参数的传递过程可图示如下：

3、sa_mask指定在信号处理程序执行过程中，哪些信号应当被阻塞。缺省情况下当前信号本身被阻塞，防止信号的嵌套发送，除非指定SA_NODEFER或者SA_NOMASK标志位。

注：请注意sa_mask指定的信号阻塞的前提条件，是在由sigaction（）安装信号的处理函数执行过程中由sa_mask指定的信号才被阻塞。

4、sa_flags中包含了许多标志位，包括刚刚提到的SA_NODEFER及SA_NOMASK标志位。另一个比较重要的标志位是SA_SIGINFO，当设定了该标志位时，表示信号附带的参数可以被传递到信号处理函数中，因此，应该为sigaction结构中的sa_sigaction指定处理函数，而不应该为sa_handler指定信号处理函数，否则，设置该标志变得毫无意义。即使为sa_sigaction指定了信号处理函数，如果不设置SA_SIGINFO，信号处理函数同样不能得到信号传递过来的数据，在信号处理函数中对这些信息的访问都将导致段错误（Segmentation fault）。

注：很多文献在阐述该标志位时都认为，如果设置了该标志位，就必须定义三参数信号处理函数。实际不是这样的，验证方法很简单：自己实现一个单一参数信号处理函数，并在程序中设置该标志位，可以察看程序的运行结果。实际上，可以把该标志位看成信号是否传递参数的开关，如果设置该位，则传递参数；否则，不传递参数。

 

4.2.  信号发送

4.2.1.    raise()

原型：

int raise(int signo)

参数：

signo即将发送的信号值。

返回值：

调用成功返回 0；否则，返回 -1。

说明：

向进程本身发送信号

头文件：

#include

例程：

#include

#include

#include

 

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;

    sigaction(sig, &act, NULL);

   

    while(1)

    {

        printf("hello world\n");

        raise(sig);

        sleep(1);

    }

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

    printf("***** receive signal %d ******\n", signum);

}

 

4.2.2.    kill()

原型：

int kill(pid_t pid, int signo)

参数：

pid  进程pid

参数pid的值	信号的接收进程
pid>0	进程ID为pid的进程
pid=0	同一个进程组的进程
pid<0 pid!=-1	进程组ID为 -pid的所有进程
pid=-1	除发送进程自身外，所有进程ID大1的进程

signo即将发送的信号值。sinno是信号值，当为0时（即空信号），实际不发送任何信号，但照常进行错误检查，因此，可用于检查目标进程是否存在，以及当前进程是否具有向目标发送信号的权限（root权限的进程可以向任何进程发送信号，非root权限的进程只能向属于同一个session或者同一个用户的进程发送信号）。

返回值：

调用成功返回 0；否则，返回 -1。

说明：

向指定进程发送信号，kill()最常用于pid>0时的信号发送。注：对于pid<0时的情况，对于哪些进程将接受信号，各种版本说法不一。

头文件：

#include

#include

例程：

#include

#include

#include

 

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

 

void *Test01(void *p)

{

    struct sigaction act;

   

    sigemptyset(&act.sa_mask);

    act.sa_flags = SA_SIGINFO;

    act.sa_sigaction = new_op;

    sigaction((int)p, &act, NULL);

    printf("\nsigal = %d\n", (int)p);

   

    while(1)

    {

        printf("hello world: self = 0x%08x\n", getpid());

        sleep(1);

    }

    return NULL;

}

 

int main(int argc,char**argv)

{

    int sig;

    pthread_t tid;

    int ret;

 

    sig = atoi(argv[1]);

   

    ret = fork();

    if (0 == ret)

    {

        Test01((void*)sig);

    }

   

    sleep(5);

    printf("pid = 0x%08x, send sig: %d\n", ret, sig);

    ret = kill(ret, sig);

    printf("ret=%d\n", ret);

    sleep(3);

    printf("Bye\n");

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

    printf("***** receive signal %d ******\n", signum);

}

 

4.2.3.    sigqueue()

原型：

int sigqueue(pid_t pid, int signo, const union sigval val)

参数：

pid  进程pid

signo即将发送的信号值。如果signo=0，将会执行错误检查，但实际上不发送任何信号，0值信号可用于检查pid的有效性以及当前进程是否有权限向目标进程发送信号。

val   信号传递的参数，即通常所说的4字节值。

     typedef union sigval {

         int  sival_int;

         void *sival_ptr;

     }sigval_t;

返回值：

成功返回 0；否则，返回 -1

说明：

针对实时信号提出的（当然也支持前32种），支持信号带有参数，与函数sigaction()配合使用。sigqueue()比kill()传递了更多的附加信息，但sigqueue()只能向一个进程发送信号，而不能发送信号给一个进程组。

调用sigqueue后，sigaction中注册的回调函数的第二个参数siginfo中包含着sigval，位置为siginfo->_sifields._rt._sigval，加入是int性数据，可以使用宏siginfo-> si_int。

注：sigqueue（）发送非实时信号时，第三个参数包含的信息仍然能够传递给信号处理函数； sigqueue（）发送非实时信号时，仍然不支持排队，即在信号处理函数执行过程中到来的所有相同信号，都被合并为一个信号。

头文件：

#include

#include

例程：

#include

#include

#include

 

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

 

void *Test01(void *p)

{

    struct sigaction act;

   

    sigemptyset(&act.sa_mask);

    act.sa_flags = SA_SIGINFO;

    act.sa_sigaction = new_op;

    sigaction((int)p, &act, NULL);

    printf("\nsigal = %d\n", (int)p);

   

    while(1)

    {

        printf("hello world: self = %d\n", getpid());

        sleep(1);

    }

    return NULL;

}

 

int main(int argc,char**argv)

{

    int sig;

    pthread_t tid;

    int ret;

    sigval_t sigval;

   

    sigval.sival_int = 0x12345678;

    sig = atoi(argv[1]);

   

    printf("\n");

    ret = fork();

    if (0 == ret)

    {

        Test01((void*)sig);

    }

   

    sleep(5);

    printf("pid = %d, send sig: %d\n", ret, sig);

    sigqueue(ret, sig, sigval);

    sleep(3);

    kill(ret, SIGINT);

    printf("Bye\n");

   

    return 0;

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

    printf("***** receive signal %d, info 0x%x ******\n", signum, info->si_int);

}

 

4.2.4.    alarm()

原型：

unsigned int alarm(unsigned int seconds)

参数：

seconds 指定时间。

返回值：

如果调用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

说明：

专门为SIGALRM信号而设，在指定的时间seconds秒后，将向进程本身发送SIGALRM信号，又称为闹钟时间，也就是非周期定时器。进程调用alarm后，任何以前的alarm()调用都将无效。如果参数seconds为零，那么进程内将不再包含任何闹钟时间。

头文件：

#include

例程：

#include

#include

#include

 

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

 

int main(int argc,char**argv)

{

 

    if (SIG_ERR == signal(SIGALRM, new_op))

    {

        return 0;

    }

   

    alarm(5);

   

    while(1)

    {

        printf("hello world\n");

        sleep(1);

    }

   

    return 0;

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

    printf("***** receive signal %d ******\n", signum);

}

 

4.2.5.    setitmer()

原型：

int setitimer(int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue))

参数：

which定时器类型

value 定时时长，支持三种类型

ITIMER_REAL

ITIMER_VIRTUAL

ITIMER_PROF

ovalue旧的定时时长，一般添NULL

返回值：

调用成功返回 0；否则，返回 -1。

说明：

setitimer比alarm功能强大，它可以实现周期定时器与非周期定时器两种功能。

setitimer支持3种类型的定时器：

ITIMER_REAL： 设定绝对时间；经过指定的时间后，内核将发送SIGALRM信号给本进程；

ITIMER_VIRTUAL 设定程序执行时间；经过指定的时间后，内核将发送SIGVTALRM信号给本进程；

ITIMER_PROF 设定进程执行以及内核因本进程而消耗的时间和，经过指定的时间后，内核将发送ITIMER_VIRTUAL信号给本进程；

第二个参数value是有两个成员变量的结构体，定义如下。interval设置了定时器的运行周期，value定义了设置后第一次运行的时间。比如需要在2s后启动一个10s周期的打印，interval为10，value为2。interval为0表示为非周期定时器。value为0表示取消定时器。

struct itimerval {

    struct timeval it_interval; /* timer interval*/

    struct timeval it_value;    /* current value */

};

struct timeval {

    long tv_sec;                /* seconds */

    long tv_usec;               /* microseconds */

}

 

头文件：

#include

例程：

#include

#include

#include

#include

 

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

 

int main(int argc,char**argv)

{

 

    struct itimerval tt;

 

    /* 设定定时间隔 */

    tt.it_value.tv_sec = 5;

    tt.it_value.tv_usec = 0;

    tt.it_interval.tv_sec = 1;

    tt.it_interval.tv_usec = 0;

 

    setitimer(ITIMER_REAL, &tt, NULL);

 

    if (SIG_ERR == signal(SIGALRM, new_op))

    {

        return 0;

    }

   

    while(1)

    {

        printf("hello world\n");

        sleep(1);

    }

   

    return 0;

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

printf("***** receive signal %d ******\n", signum);

}

 

4.2.6.    abort()

原型：

void abort(void)

参数：

signo即将发送的信号值。

返回值：

无

说明：

向进程发送SIGABRT信号，默认情况下进程会异常退出，可定义自己的信号处理函数。即使添加了自己的处理函数，进程仍然会在执行完回调后终止。

头文件：

#include

例程：

#include

#include

#include

 

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

 

int main(int argc,char**argv)

{

 

    if (SIG_ERR == signal(SIGABRT, new_op))

    {

        return 0;

    }

   

    abort();

   

    while(1)

    {

        printf("hello world\n");

        sleep(1);

    }

   

    return 0;

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

    printf("***** receive signal %d ******\n", signum);

}

 

5.   附录A 信号列表

1 ~ 31的信号为传统UNIX支持的信号，是不可靠信号(非实时的)，编号为32 ~ 63的信号是后来扩充的，称做可靠信号(实时信号)。不可靠信号和可靠信号的区别在于前者不支持排队，可能会造成信号丢失，而后者不会。

 

另外注意：

＊ 多个实时信号的响应顺序是有保证的。

＊ 如果一个进程同时有实时信号和标准信号在pending，则优先响应标准信号。

大家用的一般都是非时实信号，下边是信号列表.

 

Linux的信号的种类有60多种。可以用kill -l命令查看所有的信号，每个信号的含义如下：

1)SIGHUP:当用户退出shell时，由该shell启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程

2）SIGINT：当用户按下了＜Ctrl+C>组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。

3）SIGQUIT：当用户按下＜ctrl+\>组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信号。默认动作为终止进程。

4）SIGILL：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件

5）SIGTRAP：该信号由断点指令或其他 trap指令产生。默认动作为终止里程 并产生core文件。

6)SIGABRT:调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。

7）SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生core文件。

8）SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。

9）SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了可以杀死任何进程的方法。

10）SIGUSE1：用户定义的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。

11）SIGSEGV：指示进程进行了无数内存访问。默认动作为终止进程并产生core文件。

12）SIGUSR2：这是另外一个用户自定义信号 ，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。1

13）SIGPIPE：Broken pipe向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。

14)SIGALRM:定时器超时，超时的时间由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。

15）SIGTERM：程序结束信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。执行shell命令Kill时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。

16）SIGCHLD：子进程结束时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。

17）SIGCONT：停止进程的执行。信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。

18）SIGTTIN：停止进程的运行，但该信号可以被处理和忽略。按下＜ctrl+z>组合键发出灾个信号。默认动作为暂停进程。

19）SIGTSTP：停止进程的运行，可该信号可以被处理可忽略。按下＜ctrl+z>组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。

21）SIGTTOU:该信号类似于SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。

22）SIGURG：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出些信号，报告有紧急数据到达。默认动作为忽略该信号。

23）SIGXFSZ：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间 ，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。

24）SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。

25）SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。

26）SGIPROF：类似于SIGVTALRM，它不公包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。

27）SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。

28）SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。

29）SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。

30）SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。

31）SIGRTMIN～（64）SIGRTMAX：LINUX的实时信号，它们没有固定的含义（可以由用户自定义）。所有的实时信号的默认动作都为终止进程

 

在以上列出的信号中，程序不可捕获、阻塞或忽略的信号有：SIGKILL, SIGSTOP

不能恢复至默认动作的信号有：SIGILL, SIGTRAP

默认会导致进程流产的信号有：SIGABRT, SIGBUS, SIGFPE, SIGILL, SIGIOT, SIGQUIT, SIGSEGV, SIGTRAP, SIGXCPU, SIGXFSZ

默认会导致进程退出的信号有：SIGALRM, SIGHUP, SIGINT, SIGKILL, SIGPIPE, SIGPOLL, SIGPROF, SIGSYS, SIGTERM, SIGUSR1, SIGUSR2, SIGVTALRM

默认会导致进程停止的信号有：SIGSTOP, SIGTSTP, SIGTTIN, SIGTTOU

默认进程忽略的信号有：SIGCHLD, SIGPWR, SIGURG, SIGWINCH

 

此外，SIGIO在SVR4是退出，在4.3BSD中是忽略；SIGCONT在进程挂起时是继续，否则是忽略，不能被阻塞。

 

6.   参考文档

Linux环境进程间通信（二）: 信号    郑彦兴 ([e-mail])国防科大