目录
1. int sigemptyset(sigset_t *set)
2. int sigfillset(sigset_t *set)
3. int sigaddset(sigset_t *set, int signo)
4. int sigdelset(sigset_t *set, int signo)
5. int sigismember(const sigset_t *set, int signo)
信号入门
1. 生活角度的信号
- 你在网上买了很多件商品，再等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时， 你该怎么处理快递。也就是你能“识别快递”
- 当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是你正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不 是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取”。
- 在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你“记住了有一个快递要去取”
- 当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）2. 执行自定义动作（快递是零食，你要送给你的女朋友）3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔到床头，继续开一把游戏）
- 快递到来的整个过程，对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话
2. 技术应用角度的信号
1. 用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程。
. 用户按下Ctrl-C ,这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程
. 前台进程因为收到信号，进而引起进程退出
[hb@localhost code_test]$ cat sig.c #include <stdio.h> int main() { while(1){ printf("I am a process, I am waiting signal!\n"); sleep(1); } } [lsf@localhost code_test]$ ./sig I am a process, I am waiting signal! I am a process, I am waiting signal! I am a process, I am waiting signal! ^C [lsf@localhost code_test]$请将生活例子和 Ctrl-C 信号处理过程相结合，解释一下信号处理过程：进程就是你，操作系统就是快递员，信号就是快递
3. 注意
1. Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行,这样Shell不必等待进程 结束就可以接受新的命令,启动新的进程。
2. Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程,只有前台进程才能接到像 Ctrl-C 这种控制键产生 的信号。
3. 前台进程在运行过程中用户随时可能按下 Ctrl-C 而产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到 SIGINT 信号而终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步 (Asynchronous)的。
4. 信号概念
信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。
5. 用kill -l命令可以查看系统定义的信号列表
每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到,例如其中有定义 #define SIGINT 2
编号34以上的是实时信号,本章只讨论编号34以下的信号,不讨论实时信号。这些信号各自在什么条件下产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal
6. 信号处理常见方式概览
(sigaction函数稍后详细介绍),可选的处理动作有以下三种:
1. 忽略此信号。
2. 执行该信号的默认处理动作。
3. 提供一个信号处理函数,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数,这种方式称为捕捉 (Catch)一个信号。
产生信号
1. 通过终端按键产生信号
SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump。
Core Dump
首先解释什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump。进程异常终止通常是因为有Bug,比如非法内存访问导致段错误, 事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug（事后调试）。一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存 在PCB中)。默认是不允许产生core文件的, 因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。 首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K: $ ulimit -c 1024
然后写一个死循环程序:
前台运行这个程序,然后在终端键入Ctrl-C（ 貌似不行）或Ctrl-\（介个可以）:
ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit,test进程的PCB由Shell进程复制而来,所以也具 有和Shell进程相同的Resource Limit值,这样就可以产生Core Dump了。 使用core文件：
我们只需要在gdb上使用core-file [core文件名]就可以快速定位到错误代码地方。
2. 调用系统函数向进程发信号
首先在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号。
- 4568是test进程的id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault ,是因为在4568进程终止掉之前 已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令,Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起,所以等用户输入命令之后才显示。
- 指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法,上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 4568 或 kill -11 4568 , 11是信号SIGSEGV的编号。以往遇到的段错误都是由非法内存访问产生的,而这个程序本身没错, 给它发SIGSEGV也能产生段错误。
kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。
#include <signal.h> int kill(pid_t pid, int signo); // 向指定进程发送信号 int raise(int signo); // 向当前进程发送信号 这两个函数都是成功返回0,错误返回-1。abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。
#include <stdlib.h> void abort(void); 就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。3. 由软件条件产生信号
SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号,在“管道”中已经介绍过了。咱们主要介绍alarm函数 和SIGALRM信号。
#include <unistd.h> unsigned int alarm(unsigned int seconds); 调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动 作是终止当前进程。这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数 。
4. 硬件异常产生信号
硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令,CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址,,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。
信号捕捉初识
#include <stdio.h> #include <signal.h> void handler(int sig) { printf("catch a sig : %d\n", sig); } int main() { signal(2, handler); //前文提到过，信号是可以被自定义捕捉的，siganl函数就是来进行信号捕捉的，提前了 解一下 while(1); return 0; } [lsf@localhost code_test]$ ./sig ^Ccatch a sig : 2 ^Ccatch a sig : 2 ^Ccatch a sig : 2 ^Ccatch a sig : 2 ^\Quit (core dumped) [hb@localhost code_test]$我们会发现我们ctrl+c无法终止进程了，因为被我们自定义动作处理了。
模拟一下野指针异常
//默认行为 [hb@localhost code_test]$ cat sig.c #include <stdio.h> #include <signal.h> void handler(int sig) { printf("catch a sig : %d\n", sig); } int main() { //signal(SIGSEGV, handler); sleep(1); int *p = NULL; *p = 100; while(1); return 0; } [lsf@localhost code_test]$ ./sig Segmentation fault (core dumped) [lsf@localhost code_test]$ //捕捉行为 [hb@localhost code_test]$ cat sig.c #include <stdio.h> #include <signal.h> void handler(int sig) { printf("catch a sig : %d\n", sig); } int main() { signal(SIGSEGV, handler); sleep(1); int *p = NULL; *p = 100; while(1); return 0; } [lsf@localhost code_test]$ ./sig [lsf@localhost code_test]$ ./sig catch a sig : 11 catch a sig : 11 catch a sig : 11由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。
总结思考一下
- 上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么？OS是进程的管理者
- 信号的处理是否是立即处理的？在合适的时候
- 信号如果不是被立即处理，那么信号是否需要暂时被进程记录下来？记录在哪里最合适呢？是的。如果进程当前无法立即处理信号（例如信号被阻塞，或进程正在执行不可中断的系统调用），内核会将该信号标记为 "pending"（待处理），暂时记录下来。由内核在进程的 Pending Signal Set（待处理信号集） 中记录。这是每个进程独有的内核数据结构，用于存储已到达但未被处理的信号。
- 一个进程在没有收到信号的时候，能否能知道，自己应该对合法信号作何处理呢？进程 即使未收到信号，也能预先知道所有合法信号的处理方式，这是通过内核为每个进程维护的 信号处理表（Signal Disposition Table） 实现的。
- 如何理解OS向进程发送信号？能否描述一下完整的发送处理过程？
信号处理机制 核心逻辑
信号生成
- 来源：用户（
Ctrl+C）、系统调用（kill）、内核事件（子进程退出）、硬件异常（除零错误）。- 类型：标准信号（1-31，如
SIGINT）、实时信号（34-64，如SIGRTMIN）。信号记录
- Pending Set（待处理集合）：信号生成后暂存于此，等待递送。
- Blocked Mask（阻塞掩码）：屏蔽指定信号（暂不递送，但保留在 Pending Set 中）。
- 实时信号：可排队（不丢失），标准信号：可能合并（仅保留一次）。
信号处理
- 处理方式表（Signal Disposition）：每个信号对应三种行为：
- 默认（如终止、忽略）、
- 忽略（显式丢弃）、
- 自定义处理函数（用户注册的 Handler）。
- 触发时机：进程从内核态返回用户态时（如系统调用结束、中断处理完成）。
内核流程
- 发送信号：
kill→ 权限检查 → 标记目标进程的 Pending Set。- 递送信号：检查未被 Blocked 的信号 → 查处理表 → 执行默认 / 自定义操作。
- 处理结束：若为自定义 Handler，执行后通过
sigreturn系统调用恢复现场。
核心结论
- 信号是异步事件：进程无法预知何时收到信号，但通过 处理方式表 预定义应对逻辑。
- 内核管理状态：通过
Pending Set记录待处理信号，Blocked Mask控制递送，处理表决定行为。- 实时性差异：实时信号可靠（排队），标准信号可能丢失（合并）。
阻塞信号
1. 信号其他相关常见概念
- 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
信号在内核中的表示示意图
- 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。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。在上图的例子 中,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。 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?POSIX.1允许系统递送该信号一次 或多次。Linux是这样实现的: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。本章不讨论实时信号。
3. sigset_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。
4. 信号集操作函数
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。
1.
int sigemptyset(sigset_t *set)
- 功能：初始化
set为空集合（不包含任何信号）。- 参数：
set为待初始化的信号集指针。- 返回值：成功返回
0，失败返回-1并设置errno。- 示例：
sigset_t mask; sigemptyset(&mask); // mask = ∅2.
int sigfillset(sigset_t *set)
- 功能：初始化
set为包含所有合法信号的集合。- 参数：
set为待初始化的信号集指针。- 返回值：成功返回
0，失败返回-1并设置errno。- 示例：
sigset_t all_signals; sigfillset(&all_signals); // all_signals = {所有信号}3.
int sigaddset(sigset_t *set, int signo)
- 功能：将信号
signo添加到集合set中。- 参数：
set：目标信号集指针。signo：信号编号（如SIGINT、SIGTERM）。- 返回值：成功返回
0，失败返回-1（如signo无效）。- 示例：
sigaddset(&mask, SIGINT); // mask = {SIGINT}4.
int sigdelset(sigset_t *set, int signo)
- 功能：从集合
set中移除信号signo。- 参数：同
sigaddset。- 返回值：成功返回
0，失败返回-1。- 示例：
sigdelset(&mask, SIGTERM); // 如果 mask 包含 SIGTERM，则移除它5.
int sigismember(const sigset_t *set, int signo)
- 功能：检查信号
signo是否在集合set中。- 参数：同
sigaddset。- 返回值：
1：信号在集合中。0：信号不在集合中。-1：错误（如signo无效）。- 示例：
if (sigismember(&mask, SIGQUIT) == 1) { printf("SIGQUIT 在集合中\n"); }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); 返回值:若成功则为0,若出错则为-1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。
sigpending
#include <signal.h> sigpending 读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。 下面用刚学的几个函数做个实验。程 序如下:
程序运行时,每秒钟把各信号的未决状态打印一遍,由于我们阻塞了SIGINT信号,按Ctrl-C将会 使SIGINT信号处于未决状态,按Ctrl-\仍然可以终止程序,因为SIGQUIT信号没有阻塞。
捕捉信号
1. 内核如何实现信号的捕捉
如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行 main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号 SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler 和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。 如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复 main函数的上下文继续执行了。
2. sigaction
#include <signal.h> int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);
- sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。signo 是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:
- 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。
当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。 sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数,本章不详细解释这两个字段,有兴趣的同学可以在了解一下。
可重入函数
- main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步,刚做完第一步的时候,因 为硬件中断使进程切换到内核,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于是切换到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2,插入操作的两步都做完之后从 sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二步。结果是,main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点,而最后只 有一个节点真正插入链表中了。
- 像上例这样,insert函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称为重入,insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为不可重入函数,反之, 如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数。想一下,为什么两个不同的控制流程调用同一个函数,访问它的同一个局部变量或参数就不会造成错乱？因为局部变量的生命周期只在函数创建时的栈区有效。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
- 调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
- 调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。
volatile
该关键字在C当中我们已经有所涉猎，今天我们站在信号的角度重新理解一下
[lsf@localhost code_test]$ cat sig.c #include <stdio.h> #include <signal.h> int flag = 0; void handler(int sig) { printf("chage flag 0 to 1\n"); flag = 1; } int main() { signal(2, handler); while(!flag); printf("process quit normal\n"); return 0; } [lsf@localhost code_test]$ cat Makefile sig:sig.c gcc -o sig sig.c #-O2 .PHONY:clean clean: rm -f sig [slf@localhost code_test]$ ./sig ^Cchage flag 0 to 1 process quit normal标准情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ， while 条件不满足,退出循环，进程退出
这个时候我们把Makefile文件里的#-02解放开，让编译器采用2级优化的方式优化。
[lsf@localhost code_test]$ ./sig ^Cchage flag 0 to 1 ^Cchage flag 0 to 1 ^Cchage flag 0 to 1优化情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ，但是 while 条件依旧满足,进程继续运行！但是很明显flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显， while 循环检查的flag， 并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。 while 检测的flag其实已经因为优化，被放在了 CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要 volatile
volatile int flag = 0;volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作
