学习笔记 9

2023-12-28 13:07:22

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第六章 信号和信号处理

6.1 信号和中断

“中断”：从I/O设备或协处理器发送到CPU的外部请求，将CPU从正常执行转移到中断处理。
“信号”：与发送到CPU的中断请求一样，“信号”是先发送给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。
“中断”是发送给“进程”的事件，它将“进程”从正常活动转移到其他活动，称为“中断处理”。“进程”可在完成“中断”处理后恢复正常活动。

“中断”的几种类型：

  1. 人员中断
  2. 进程中断
  3. 硬件中断
  4. 进程的陷阱错误

6.2 Unix/Linux信号示例

  1. 按“Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止。

  2. 用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程仍将继续运行。

  3. 用户再次登录时也许会发现(通过ps-u LTD)后台进程仍在运行。用户可以使用sh命令

     kill pid (or kill -s 9 pid)

杀死该进程。
注：9号信号被保留为终止进程的终极手段

6.3 Unix/Linux中的信号处理

1.信号类型

Unix/Linux支持31种不同的信号，每种信号在signal.h文件中都有定义。

#define  	SIGHUP  	1
#define  	SIGINT  	2
#define  	SIGQUIT  	3
#define  	SIGILL  	4
#define  	SIGTRAP  	5
#define  	SIGABRT  	6
#define  	SIGIOT  	6
#define  	SIGBUS  	7
#define  	SIGFPE  	8
#define  	SIGKILL  	9	//进程终止
#define  	SIGUSR1  	10
#define  	SIGSEGV  	11
#define  	SIGUSR2  	12
#define  	SIGPIPE  	13
#define  	SIGALRM  	14	//设置进程隔多久后会收到一个SIGALRM信号
#define  	SIGTERM	    15
#define  	SIGSTKFLT	16
#define  	SIGCHLD    	17
#define  	SIGCONT	    18
#define  	SIGSTOP     19	//暂停进程的执行
#define  	SIGTSTP	    20
#dpfine  	STGTTTN	    21
#define  	SIGTTOU	    22
#define  	SIGURG	    23
#define  	SIGXCPU	    24
#define  	SIGXFSZ    	25
#define  	SIGVTALRM	26  //虚拟时钟信号。类似于 SIGALRM,计算的是该进程占用的CPU时间。
#define  	SIGPROF  	27	//类似于SIGALRM/SIGVTALRM，但包括该进程用的 CPU 时间以及系统调用的时间。
#define  	SIGWINCH	28
#define  	SIGPOLL  	29
#define  	SIGPWR	    30
#define  	SIGSYS	    31

2.信号的来源

来自硬件中断的信号

  • 中断键（CtrI+C)
  • 间隔定时器，当它的时间到期时，会生成一个SIGALRM( 14),SIGVTALRM(26)或SIGPROF (27）信号。
  • 其他硬件错误，如总线错误、IO陷阱等。

来自异常的信号：当用户模式下的进程遇到异常时，会陷入内核模式，生成一个信号，并发送给自己。常见的陷阱信号有SIGFPE(8)，表示浮点异常(除以0)，最常见也是最可怕的是SIGSEGV(11)，表示段错误，等等。

来自其他进程的信号：进程可使用kill(pid, sig)系统调用向pid标识的目标进程发送信号。读者可以尝试以下实验。在 Linux 下，运行简单的C程序

main(){ while(1); }

使进程无限循环。从另一个(X-window)终端，使用ps -u查找循环进程pid。然后输入sh命令

kill -s 11 pid

循环进程会因为段错误而死亡。当某进程被某个信号终止时,它的exitValue就包含这个信号编号。父进程sh只是将死亡子进程的信号编号转换为一个错误字符串。

3.进程PROC结构体中的信号

每个进程PROC都有一个32位向量，用来记录发送给进程的信号。

4.信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组int sig[32]。sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示DEFault（默认），1表示 IGNore(忽略)。下图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。
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如果信号位向量中的位I为1,则会生成一个信号I或将其发送给进程。如果屏蔽位向量的位I为1,则信号会被阻塞 或屏蔽。否则，信号未被阻塞。只有当信号存在并且未被阻塞时，信号才会生效或传递给进程。

6.4 信号处理步骤

  1. 当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为DEFault。然后，它会在用户模式下返回，以执行捕捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。因此，该进程会先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。

  2. 重置用户安装的信号捕捉函数:用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为 DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同Unix版本中会有所不同。例如，在 BSD Unix中，信号处理函数不会被重置，但是该信号在执行信号捕捉函数时会被阻塞。

  3. 信号和唤醒:在Unix/Lintx内核中有两种SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP状态，到达的信号(必须来自硬件中断或其他进程)不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优先级休眠,这种休眠是可中断的,SIGINT这类信号即可唤醒它。

6.5 信号与异常

Unix信号最初设计用于以下用途。

  • 作为进程异常的统一处理方法:当进程遇到异常时，它会陷人内核模式，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在内核模式下发生异常，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了。如果在用户模式下发生异常，则进程通常会终止，并以内存转储进行调试。

  • 让进程通过预先安装的信号捕捉函数处理用户模式下的程序错误。这类似于MVS[IBM MVS]中的ESPIE宏。

  • 在特殊情况下，它会让某个进程通过信号杀死另一个进程。注意，这里所说的杀死并不是直接杀死某个进程，而只是向目标进程发出“死亡”请求。

6.6 信号用作IPC

在一些地方，信号被归类为进程间的通信机制。基本原理是一个进程可以向另一个进程发送信号，使它执行预先安装的信号处理函数。由于以下原因，这种分类即使不算不恰当也颇具争议。

  • 该机制并不可靠，因为可能会丢失信号。每个信号由位向量中的一个位表示，只能记录一个信号的一次出现。如果某个进程向另一个进程发送两个或多个相同的信号，它们可能只在接收PROC中出现一次。实时信号被放入队列,并保证按接收顺序发送，但操作系统内核可能不支持实时信号。

  • 竞态条件:在处理信号之前，进程通常会将信号处理函数重置为DEFault。要想捕捉同一信号的再次出现，进程必须在该信号再次到来之前重新安装捕捉函数。否则，下一个信号可能会导致该进程终止。在执行信号捕捉函数时，虽然可以通过阻塞同一信号来防止竞态条件，但是无法防止丢失信号。

  • 大多数信号都有预定义的含义。不加区别地任意使用信号不仅不能达到通信的目的，反而会造成混乱。

6.7 Linux中的IPC

IPC是指用于进程间通信的机制。在Linux中，IPC包含以下组成部分：

  1. 管道和FIFO：一个管道有一个读取端和一个写入端。管道的主要用途是连接一对管道写进程和读进程。管道写进程可将数据写入管道，读进程可从管道中读取数据。管道控制机制要对管道读写操作进行同步控制。未命名管道供相关进程 使用，命名管道是FIFO的，可供不相关进程使用。在Linux中的管道读取操作为同步和阻塞。如果管道仍有写进程但没有数据，读进程会进行等待。
  2. 信号：进程可使用kill系统调用向其他进程发送信号.其他进程使用信号捕捉函数处理信号，将信号用作IPC的一个主要缺点是信号只是用作通知，不含任何信息内容。
  3. System V IPC：包括共享内存、信号址和消息队列。在Linux中，多种 System V 1PC函数，例如用于添加/移除共享内存的shmat/shmdt、用于获取/操作信号反的semget/semop和用于发送/接收消息的msgsnd/msgrcv,都是库包装函数，它们都会向 Linux内核发出一个ipc()系统调用。ipc()的实现是Linux所特有的，不可移植。
  4. POSIX消息队列
  5. 线程同步机制：进程是共享某些公共资源的线程。如果是使用有共享地址空间的clone()系统调用创建的进程，它们可使用互斥量和条件变量通过共享内存进行同步通信。另外，常规进程可添加到共享内存，使它们可作为线程进行同步。
  6. 套接字：用于跨网络进程通信的IPC机制。

具体实践

示例6.1：sigaction的使用示例

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
	printf("handler:sig=%d from PID=%d UID=%d\n",
					sig, siginfo -> si_pid, siginfo -> si_uid);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sigaction act;
	memset(&act, 0, sizeof(act));
	act.sa_sigaction = &handler;
	act.sa_flags = SA_SIGINFO;
	sigaction(SIGTERM, &act, NULL);
	printf("proc PID=%d looping\n");
	printf("enter kill PID to send SIGTERM signal to it\n",getpid());
	while(1){
		sleep(10);
	}
}

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示例6.2：段错误捕捉函数

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
#include <string.h>
jmp_buf env;
int count = 0;
void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
    printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n",
           sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count);
    if (count >= 4) // let it occur up to 4 times
        longjmp(env, 1234);
}
int BAD()
{
    int *ip = 0;
    printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
    *ip = 123; // dereference a NULL pointer
    printf("should not see this line\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int r;
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = &handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigaction(SIGSEGV, &act, NULL);
    if ((r = setjmp(env)) == 0)
        BAD();
    else
        printf("proc %d survived SEGMENTATION FAULT: r=%d\n", getpid(), r);

    printf("proc %d looping\n", getpid());
    while (1)
        ;
}

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问题与解决

1.SIGSTOP、SIGKILL为什么是不能捕捉的信号或忽略的信号？两者有什么区别？

不能被忽略的原因：他们向超级用户提供了使进程停止或终止的方法。
区别：一个为停止，一个为终止，前者表明程序还可以通过其他信号唤醒，后者表明程序已经退出，所有资源都被回收。

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