UNIX环境高级编程第十章信号

2021-08-09

APUE 第十章信号

第十章信号

10.2 信号概念

首先，所有信号都以 SIG 开头。在头文件 <signal.h> 中，信号名都被定义为正整数常量，不存在编号为0的信号。

信号是异步事件的经典例子。产生信号的事件对进程而言是随机出现的。

在某个信号出现时，可以告诉内核按以下3种方式之一进行处理：

忽略此信号，什么也不干。
捕捉信号。通知内核在某种信号发生时调用一个用户函数。在用户函数中对此信号进行处理。
执行系统默认动作。

下图说明了所有信号的名字，哪些系统支持此信号以及对于这些信号，系统的默认动作。

10.3 signal 函数

#include <signal.h>

void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);
//Returns: previous disposition of signal (see following) if OK, SIG_ERR on error

首先，signal 是一个函数，它的参数是 int 和函数指针，它的返回值是一个函数指针。参数的函数指针和返回值的函数指针都指向参数为 int ，没有返回值的函数

func 参数或者是 SIG_IGN 或者是 SIG_DFL 或者是当接收到此信号后要调用的函数的地址

捕捉信号的例子

10.5 中断的系统调用

早期的UNIX系统的一个特性是：如果进程在一个低速系统调用内阻塞了，并且在这期间捕捉到一个信号，则中断该系统调用不再执行。errno 被设置为 EINTER

这样做的原因是基于这样一个假设，进程在阻塞期间捕捉到信号，有很大可能是发生了想要唤醒进程的事情。

低速系统调用是可能会使进程永远阻塞的一类系统调用：

如果某些类型文件的数据不存在，则读操作可能会使调用者永远阻塞
如果写入的数据不能被文件直接接受，则写操作可能会永远阻塞调用者
打开特定文件类型可能会永远阻塞调用者，因为要等待特定的条件发生（例如要打开一个终端设备，需要先等待与之连接的调制解调器应答）
pause 和 wait 函数
某些 ioctl 操作
某些 进程间通信 函数

10.6 可重入函数

进程捕捉到信号并对其进行处理时，首先执行该信号处理程序中的指令。如果信号处理程序返回，则继续执行在捕捉到信号时正在执行的正常指令序列。但是信号处理程序可能会对正常指令序列的工作造成破坏。

为此，SUS说明了在信号处理程序中保证调用安全的函数。这些函数被称为可重入函数，并被成为是异步信号安全的（async-signal safe）。下图列出了异步信号安全的函数

注意，在信号处理函数中调用不可重入函数会产生不可预知的结果，看下面的示例

在信号处理函数中调用不可再入函数

10.8 可靠信号术语和语义

首先需要定义一些在讨论信号过程中需要用到的术语。

当能够引发信号的事件发生时，我们称为进程产生（generated）了一个信号

当针对该信号采取行动时，我们称信号已被递送到（delivered to）进程。

在产生和递送到这两个时间点之间的信号状态称为 未决的（pending）

进程可以选择一个 “阻塞信号递送”，如果：进程选择了阻塞信号递送，且对该信号的动作是默认或捕捉，则将该信号保持为 未决状态 直到解除该信号的阻塞

每个进程都有一个 信号屏蔽字（signal mask） ，它定义了进程想要阻塞的信号的集合。

10.9 kill 和 raise 函数

kill 函数将信号发送到进程或进程组；raise 函数允许进程向自身发送信号

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int signo);

int raise(int signo);
//Both return: 0 if OK, −1 on error

kill 的参数 pid 有四种情况：

pid>0 将信号发送到 pid 进程
pid==0 将信号发送到与发送进程属于同一进程组的所有进程
pid<0 将信号发送到进程组ID等于 pid 绝对值的所有进程
pid==-1 将该信号发送到发送进程有权限向它们发送信号的所有进程

10.10 alarm 和 pause 函数

alarm 函数设置一个定时器，时间到了之后会产生 SIGALRM 信号，默认动作是终止调用 alarm 的进程

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//Returns: 0 or number of seconds until previously set alarm

每个进程只能有一个闹钟时间。如果调用 alarm 的时候，前一个闹钟还没有超时，则将上一个闹钟的剩余时间作为此次调用的返回值返回，用此次闹钟替换之前的闹钟。

alarm(0) 可以关闭未终止的闹钟

pause 函数使调用进程挂起直至捕捉到一个信号

#include <unistd.h>

int pause(void);
//Returns: −1 with errno set to EINTR

涉及信号的程序需要有精细而周到的考虑，下面的函数简单实现了 sleep 函数。但是通过测试函数，我们发现，这个实现仍然存在提前结束其他信号处理函数的问题。

sleep2 函数

sleep2 测试函数

10.11 信号集

信号集是一种能表示多个信号的数据类型—— sigset_t

#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);
//All four return: 0 if OK, −1 on error

int sigismember(const sigset_t *set, int signo);
//Returns: 1 if true, 0 if false, −1 on error

sigemptyset 初始化由 set 指向的信号集，清除其中所有信号

sigfillset 初始化由 set 指向的信号集，使其包含所有信号

sigaddset 将一个信号添加到已有的信号集种

sigdelset 将一个信号从指定的信号集删除

10.12 sigprocmask 函数

使用这个函数可以检测或更改一个进程的信号屏蔽字。信号屏蔽字规定了当前组测不能递送给该进程的信号集

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *restrict set,sigset_t *restrict oset);
//Returns: 0 if OK, −1 on error

首先，如果 oset 是一个非空指针，那么进程当前的信号屏蔽字通过 oset 返回

其次，如果 set 是一个非空指针，则 how 参数指示如何修改当前信号屏蔽字

如果 set 是一个空指针，则不改变进程的信号屏蔽字， how 值也就没有意义

10.13 sigpending 函数

#include <signal.h>

int sigpending(sigset_t *set);
//Returns: 0 if OK, −1 on error

sigpending 函数通过 set 参数返回调用进程当前被阻塞不能递送和未决的信号集

一个使用了前面介绍的很多函数的例子

10.14 sigaction 函数

此函数可以检查并修改与指定信号相关联的处理动作

#include <signal.h>

int sigaction(int signo, const struct sigaction *restrict act,struct sigaction *restrict oact);
//Returns: 0 if OK, −1 on error

类似地， act 指明想要设置的动作， oact 返回该信号的上一个动作，signo 指明想要设置的信号

结构体 sigaction 内容如下

struct sigaction {
	void	(*sa_handler)(int);	/* addr of signal handler, */
								/* or SIG_IGN, or SIG_DFL */
	sigset_t sa_mask;			/* additional signals to block */
	int	sa_flags;				/* signal options, Figure 10.16 */
    
	/* alternate handler */
	void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
};

下图说明了 sigaction 结构体中 sa_flags 可选项

用 sigaction 实现 signal 函数

10.15 sigsetjmp 和 siglongjmp 函数

在信号处理程序中进行 非局部转移 时应当使用的函数

#include <setjmp.h>

int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savemask);
//Returns: 0 if called directly, nonzero if returning from a call to siglongjmp

void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val);

这两个函数和 setjmp 、 longjmp 之间的唯一区别是 sigsetjmp 增加了一个参数。如果 savemask 非 0 ，则sigsetjmp 在 env 中保存当前信号屏蔽字，这样在调用 siglongjmp 时会自动恢复信号屏蔽字。

使用这两个函数的例子

10.16 sigsuspend 函数

#include <signal.h>

int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);
//Returns: −1 with errno set to EINTR

此函数用来在一个原子操作中将进程的屏蔽字设置为 sigmask 指向的对象并使进程休眠。如果一个信号被捕捉到并且信号处理函数返回，那么 sigsuspend 返回，并且信号屏蔽字被设置为调用 sigsuspend 之前的状态。

此函数的应用：

首先改变进程的屏蔽字，使接下来的代码不会被某种信号中断。等需要保护的代码执行完毕后，调用 sigsuspend 函数恢复进程的屏蔽字并等待信号到来

可以使用信号实现第八章中介绍到的 TELL_WAIT, TELL_PARENT, TELL_CHILD, WAIT_PARENT, and WAIT_CHILD

以上 5 个函数的一种实现

10.17 abort 函数

此函数功能是使程序异常终止

#include <stdlib.h>

void abort(void);
//This function never returns

此函数将 SIGABRT 信号发送给调用进程。而且 ISO C 规定，即使该信号被捕捉到，并在相应的信号处理函数中返回，程序也不会回到调用它的函数内。

因为让进程捕捉 SIGABRT 信号的意图是：在进程终止之前做一些必要的清理工作。

abort 的 POSIX.1 实现

10.18 system 函数

在 8.13 节曾实现过一个简单的 system 函数，那个函数没有进行信号处理，而POSIX.1 要求 system 忽略 SIGINT 和 SIGQUIT ，阻塞 SIGCHLD。

带信号处理的 system 函数实现

10.19 sleep 、 nanosleep 和 clock_nanosleep 函数

#include <unistd.h>

unsigned int sleep(unsigned int seconds);
//Returns: 0 or number of unslept seconds

此函数使调用进程挂起直至满足下面两个条件之一

已经过了 seconds 所指定的时间
调用进程捕捉到一个信号并从信号处理程序返回

第一种情况下，sleep 返回 0 ；第二种情况下，返回未休眠完的秒数（要求的秒数-实际休眠的秒数）

sleep 函数的一种可靠实现

nanosleep 提供了纳米级的休眠精度

#include <time.h>

int nanosleep(const struct timespec *reqtp, struct timespec *remtp);
//Returns: 0 if slept for requested time or −1 on error

clock_nanosleep 函数提供了相对于特定时钟的延迟时间来挂起调用线程

#include <time.h>

int clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags,const struct timespec *reqtp, struct timespec *remtp);
//Returns: 0 if slept for requested time or error number on failure

10.20 sigqueue 函数

使用排队信号必须做以下几个操作

使用 sigaction 函数指定信号处理程序时设置 SA_SIGINFO 标志
在 sigaction 结构的 sa_sigaction 成员中提供信号处理程序
使用 sigqueue 函数发送信号

#include <signal.h>

int sigqueue(pid_t pid, int signo, const union sigval value)
//Returns: 0 if OK, −1 on error

此函数只能将信号发送到单个进程。除了有一个 value 参数可以传递额外的信息外，此函数与 kill 函数类似

信号不能无限排队。最大排队数量受 SIGQUEUE_MAX 限制

10.22 信号名和编号

可以使用 psignal 函数打印与信号编号对应的字符串

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#include <signal.h>

void psignal(int signo, const char *msg);

打印的方式是： “msg： signo代表的信号的说明”

如果 msg 为 NULL，就只打印信号的说明

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#include <signal.h>

void psiginfo(const siginfo_t *info, const char *msg);

下面这个函数直接返回给定信号对应的字符串

#include <string.h>

char *strsignal(int signo);
//Returns: a pointer to a string describing the signal

课后练习

2 实现10.22节中说明的 sig2str 函数

我的解答

6 编写一段程序测试 [这些函数] 。要求进程创建一个文件并向文件写一个整数0，然后，进程调用 fork ，接着，父进程和子进程交替增加文件中的计数器值，每次计数器值增加1时，打印是哪一个进程进行了该增加1的操作