【Linux】：进程信号（信号保存 & 信号处理）

IsLand1314

发布于 2024-11-19 09:46:24

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一、信号保存

🐸 1. 信号其他相关的基本概念

实际执行信号的处理动作称为 信号递达(Delivery)
信号从产生到递达之间的状态,称为 信号未决(Pending)
进程可以选择 阻塞 (Block) 某个信号。
被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
注意：阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

🐸 2. 在内核中的表示

如下是信号在内核中的表示示意图：

在这个阶段有以下几种情况：

💢 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。

SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作
SIGINT信号产生过，但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞
SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler
- 信号未决：信号产生后，在未被处理之前，处于未决状态。这意味着信号已经被发送，但目标进程尚未对其作出响应。操作系统会检查目标进程的Pending表，确定哪些信号处于未决状态（每个进程都有一个Pending位图，用于记录哪些信号处于未决状态。这个位图由32个比特位组成，分别代表32个不同的信号，如果对应的比特位为1，表示该信号已经产生但尚未处理）
- 信号阻塞：如果目标进程阻塞了某些信号，那么这些信号会保持在未决状态，直到进程解除对这些信号的阻塞（与Pending位图类似，Block位图用于记录哪些信号被进程阻塞。当信号被阻塞时，对应的比特位会被设置为1）

还有一个函数指针表示处理动作：

handler表：是一个函数指针数组，每个下标都是一个信号的执行方式（有31个普通信号，信号的编号就是数组的下标，可以采用信号编号，索引信号处理方法！）如signal函数在进行信号捕捉的时候，其第二个参数就是，提供给handler的

信号阻塞过程如下：

如果进程选择阻塞某个信号，操作系统会在block表中设置对应信号的比特位为1。此时，即使信号已经产生（pending表中对应比特位为1），进程也不会立即处理该信号
被阻塞的信号将保持在pending表中，直到进程解除对该信号的阻塞（即block表中对应比特位被重置为0）
注意：阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

💦 如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，将如何处理?

🎐 Linux的实现：常规信号在递达之前产生多次只计一次，而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里

信号阻塞和未决的区别

信号阻塞（Blocking）：是一个开关动作，指的是阻止信号被处理，但不是阻止信号产生。它使得系统暂时保留信号留待以后发送。阻塞只是暂时的，通常用于防止信号打断敏感的操作。
信号未决（Pending）：是一种状态，指的是从信号的产生到信号被处理前的这一段时间。信号产生后，如果未被处理且没有被阻塞，则处于未决状态，等待被处理。

二、信号处理

🐇 1. sigtest_t

从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志，非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。

因此：未决和阻塞标志可以用相同的数据类型 sigset_t 来存储，sigset_t 称为信号集

这个类型可以表示每个信号的 “有效” 或 “无效” 状态

在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。

💞 阻塞信号集也叫做当前进程的 信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略

🔥 注意：该类型只在 Linux 系统上有效，是 Linux 给用户提供的一个用户级的数据类型

🐇 2. 信号集操作函数

🥑 2.1 基本认识

🌈 sigset_t 类型对于每种信号用一个 bit 表示 “有效” 或 “无效” 状态，至于这个类型内部如何存储这些 bit 则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作 sigset_t 变量，而不应该对它的内部数据做任何解释

比如用 printf 直接打印sigset_t变量是没有意义的

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

函数 sigemptyset 初始化 set 所指向的信号集,使其中所有信号的对应 bit 清零,表示该信号集不包含任何有效信号
函数 sigfillset 初始化 set 所指向的信号集,使其中所有信号的对应 bit 置位,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号

注意 : 在使用 sigset_t 类型的变量之前,一定要调用 sigemptyset 或 sigfillset 做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化 sigset_t 变量之后就可以在调用 sigaddset 和 sigdelset 在该信号集中添加或删除某种有效信号。

这四个函数都是成功返回0，出错返回-1。

sigismember是一个布尔函数，用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0，出错返回-1。

🥑 2.2 sigprocmask

调用函数 sigprocmask 可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);

参数说明

1） how：用于指定如何修改信号屏蔽字的操作方式。它可以取以下几个值之一：

SIG_BLOCK：将信号集 set 中的信号添加到当前信号屏蔽字中，阻止这些信号的传
SIG_UNBLOCK：从当前信号屏蔽字中删除信号集 set 中的信号，允许这些信号的传递。
SIG_SETMASK：将信号屏蔽字设置为 set 中的信号集，完全替换掉当前的屏蔽字。

2）set：指向一个 sigset_t 类型的信号集，表示需要操作的信号集合。可以使用 sigemptyset()、sigfillset()、sigaddset() 等函数来操作这个集合。

3）oldset： 指向一个 sigset_t 类型的变量，用于保存调用 sigprocmask 前的原始信号屏蔽字（如果 oldset 不为 NULL）。如果不关心原始的屏蔽字，可以将其设置为 NULL。

返回值：成功时，返回 0，失败时，返回 -1，并将 errno 设置为相应的错误代码。

🧃🥝🥥🫒 上面函数使用分析

如果 oset 是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出
如果 set 是非空指针, 则更改进程的信号屏蔽字, 参数 how 指示如何更改。
如果 oset 和 set 都是非空指针, 则先将原来的信号屏蔽字备份到 oset里，然后根据 set 和 how 参数更改信号屏蔽字。

假设当前的信号屏蔽字为 mask，下表说明了 how 参数的可选值

如果调用 sigprocmask 解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则在 sigprocmask 返回前，至少将其中⼀个信号递达。

下面是一个使用 sigprocmask 的简单示例，演示如何阻塞和解除阻塞信号

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/wait.h>

void handle_signal(int sig) {
    printf("Signal %d received\n", sig);
}

int main() {
    sigset_t set, oldset;

    // 初始化信号集，清空
    sigemptyset(&set);
    // 将 SIGINT 信号添加到信号集
    sigaddset(&set, SIGINT);

    // 阻塞 SIGINT 信号
    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset) == -1) {
        perror("sigprocmask");
        return 1;
    }

    printf("SIGINT blocked, sleeping for 5 seconds...\n");
    sleep(5);

    // 解除阻塞 SIGINT 信号
    if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask");
        return 1;
    }

    printf("SIGINT unblocked, sleeping for another 5 seconds...\n");
    sleep(5);

    return 0;
}

🥑 2.3 sigpending 2.4 使用样例

（检查pending信号集，获取当前进程pending位图）

#include <signal.h>  

int sigpending(sigset_t *set);

参数：set 是一个指向 sigset_t 类型的指针，用于存储当前进程的未决信号集合。
返回值：函数调用成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

🥑 2.4 使用样例

打印 pending 表并且实现对 2 号信号的屏蔽

void PrintPending(const sigset_t &pending)
{
    std::cout << "curr pending list [" << getpid()  << "]" ;
    for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
    {
        if(sigismember(&pending, signo))
        {
            std::cout << 1 ;
        }
        else
        {
            std::cout << 0 ;
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}


int main()
{
    // 1. 对 2 号信号进行屏蔽
    sigset_t block, oblock;
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);

    // 1.1. 添加 2 号信号
    // 我们有没有把 2 号信号的屏蔽，设置进入内核中，只是再用户栈上设置了 block 的位图结构
    // 没有设置到内核中
    sigaddset(&block, 2);

    // 1.2 设置进入内核
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);                         

    while(true)
    {
        // 2. 如何获取 pending 表
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);

        // 2.1 打印
        PrintPending(pending);
        sleep(3);
    }

    return 0;
}

运行如下：

解除对 2 号信号的屏蔽，修改如下：

运行如下：

我们发现：后续输出没有了，原因：由于 2 号信号的默认动作是终止进程，一旦解除屏蔽，处理 2 号信号执行默认动作，就把自己干掉了，因此还需要做修改

void non_handler(int signo)
{
    std::cout << "处理：" << signo << std::endl;
}

int main()
{
    // 忽略 2 号信号的两种方式
    // 方式一：系统调用
    ::signal(2, SIG_IGN); 
    // 方式二：动态捕捉
    ::signal(2, non_handler);

    // 1. 对 2 号信号进行屏蔽
    ......
}

运行如下：