一、信號(hào)生命周期
從信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處理函數(shù)的執(zhí)行完畢
對(duì)于一個(gè)完整的信號(hào)生命周期(從信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)的處理函數(shù)執(zhí)行完畢)來說，可以分為三個(gè)重要的階段，這三個(gè)階段由四個(gè)重要事件來刻畫：信號(hào)誕生；信號(hào)在進(jìn)程中注冊(cè)完畢；信號(hào)在進(jìn)程中的注銷完畢；信號(hào)處理函數(shù)執(zhí)行完畢。相鄰兩個(gè)事件的時(shí)間間隔構(gòu)成信號(hào)生命周期的一個(gè)階段。
下面闡述四個(gè)事件的實(shí)際意義：
- 信號(hào)"誕生"。信號(hào)的誕生指的是觸發(fā)信號(hào)的事件發(fā)生（如檢測(cè)到硬件異常、定時(shí)器超時(shí)以及調(diào)用信號(hào)發(fā)送函數(shù)kill()或sigqueue()等）。
- 信號(hào)在目標(biāo)進(jìn)程中"注冊(cè)"；進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)中有關(guān)于本進(jìn)程中未決信號(hào)的數(shù)據(jù)成員：
struct sigpending pending：
struct sigpending{
struct sigqueue *head, **tail;
sigset_t signal;
};
|
第三個(gè)成員是進(jìn)程中所有未決信號(hào)集，第一、第二個(gè)成員分別指向一個(gè)sigqueue類型的結(jié)構(gòu)鏈（稱之為"未決信號(hào)信息鏈"）的首尾，信息鏈中的每個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)刻畫一個(gè)特定信號(hào)所攜帶的信息，并指向下一個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu):
struct sigqueue{
struct sigqueue *next;
siginfo_t info;
}
|
信號(hào)在進(jìn)程中注冊(cè)指的就是信號(hào)值加入到進(jìn)程的未決信號(hào)集中（sigpending結(jié)構(gòu)的第二個(gè)成員sigset_t signal），并且信號(hào)所攜帶的信息被保留到未決信號(hào)信息鏈的某個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)中。只要信號(hào)在進(jìn)程的未決信號(hào)集中，表明進(jìn)程已經(jīng)知道這些信號(hào)的存在，但還沒來得及處理，或者該信號(hào)被進(jìn)程阻塞。
注：
當(dāng)一個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)發(fā)送給一個(gè)進(jìn)程時(shí)，不管該信號(hào)是否已經(jīng)在進(jìn)程中注冊(cè)，都會(huì)被再注冊(cè)一次，因此，信號(hào)不會(huì)丟失，因此，實(shí)時(shí)信號(hào)又叫做"可靠信號(hào)"。這意味著同一個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)可以在同一個(gè)進(jìn)程的未決信號(hào)信息鏈中占有多個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)（進(jìn)程每收到一個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)，都會(huì)為它分配一個(gè)結(jié)構(gòu)來登記該信號(hào)信息，并把該結(jié)構(gòu)添加在未決信號(hào)鏈尾，即所有誕生的實(shí)時(shí)信號(hào)都會(huì)在目標(biāo)進(jìn)程中注冊(cè)）；
當(dāng)一個(gè)非實(shí)時(shí)信號(hào)發(fā)送給一個(gè)進(jìn)程時(shí)，如果該信號(hào)已經(jīng)在進(jìn)程中注冊(cè)，則該信號(hào)將被丟棄，造成信號(hào)丟失。因此，非實(shí)時(shí)信號(hào)又叫做"不可靠信號(hào)"。這意味著同一個(gè)非實(shí)時(shí)信號(hào)在進(jìn)程的未決信號(hào)信息鏈中，至多占有一個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)（一個(gè)非實(shí)時(shí)信號(hào)誕生后，（1）、如果發(fā)現(xiàn)相同的信號(hào)已經(jīng)在目標(biāo)結(jié)構(gòu)中注冊(cè)，則不再注冊(cè)，對(duì)于進(jìn)程來說，相當(dāng)于不知道本次信號(hào)發(fā)生，信號(hào)丟失；（2）、如果進(jìn)程的未決信號(hào)中沒有相同信號(hào)，則在進(jìn)程中注冊(cè)自己）。
- 信號(hào)在進(jìn)程中的注銷。在目標(biāo)進(jìn)程執(zhí)行過程中，會(huì)檢測(cè)是否有信號(hào)等待處理（每次從系統(tǒng)空間返回到用戶空間時(shí)都做這樣的檢查）。如果存在未決信號(hào)等待處理且該信號(hào)沒有被進(jìn)程阻塞，則在運(yùn)行相應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)前，進(jìn)程會(huì)把信號(hào)在未決信號(hào)鏈中占有的結(jié)構(gòu)卸掉。是否將信號(hào)從進(jìn)程未決信號(hào)集中刪除對(duì)于實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)信號(hào)是不同的。對(duì)于非實(shí)時(shí)信號(hào)來說，由于在未決信號(hào)信息鏈中最多只占用一個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)，因此該結(jié)構(gòu)被釋放后，應(yīng)該把信號(hào)在進(jìn)程未決信號(hào)集中刪除（信號(hào)注銷完畢）；而對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)來說，可能在未決信號(hào)信息鏈中占用多個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)該針對(duì)占用sigqueue結(jié)構(gòu)的數(shù)目區(qū)別對(duì)待：如果只占用一個(gè)sigqueue結(jié)構(gòu)（進(jìn)程只收到該信號(hào)一次），則應(yīng)該把信號(hào)在進(jìn)程的未決信號(hào)集中刪除（信號(hào)注銷完畢）。否則，不應(yīng)該在進(jìn)程的未決信號(hào)集中刪除該信號(hào)（信號(hào)注銷完畢）。
進(jìn)程在執(zhí)行信號(hào)相應(yīng)處理函數(shù)之前，首先要把信號(hào)在進(jìn)程中注銷。
- 信號(hào)生命終止。進(jìn)程注銷信號(hào)后，立即執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)，執(zhí)行完畢后，信號(hào)的本次發(fā)送對(duì)進(jìn)程的影響徹底結(jié)束。
注：
1）信號(hào)注冊(cè)與否，與發(fā)送信號(hào)的函數(shù)（如kill()或sigqueue()等）以及信號(hào)安裝函數(shù)（signal()及sigaction()）無關(guān)，只與信號(hào)值有關(guān)（信號(hào)值小于SIGRTMIN的信號(hào)最多只注冊(cè)一次，信號(hào)值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之間的信號(hào)，只要被進(jìn)程接收到就被注冊(cè)）。
2）在信號(hào)被注銷到相應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)執(zhí)行完畢這段時(shí)間內(nèi)，如果進(jìn)程又收到同一信號(hào)多次，則對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)來說，每一次都會(huì)在進(jìn)程中注冊(cè)；而對(duì)于非實(shí)時(shí)信號(hào)來說，無論收到多少次信號(hào)，都會(huì)視為只收到一個(gè)信號(hào)，只在進(jìn)程中注冊(cè)一次。
回頁(yè)首
二、信號(hào)編程注意事項(xiàng)
- 防止不該丟失的信號(hào)丟失。如果對(duì)八中所提到的信號(hào)生命周期理解深刻的話，很容易知道信號(hào)會(huì)不會(huì)丟失，以及在哪里丟失。
- 程序的可移植性
考慮到程序的可移植性，應(yīng)該盡量采用POSIX信號(hào)函數(shù)，POSIX信號(hào)函數(shù)主要分為兩類：
- POSIX 1003.1信號(hào)函數(shù)： Kill()、sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、sigismember()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()。
- POSIX 1003.1b信號(hào)函數(shù)。POSIX 1003.1b在信號(hào)的實(shí)時(shí)性方面對(duì)POSIX 1003.1做了擴(kuò)展，包括以下三個(gè)函數(shù)： sigqueue()、sigtimedwait()、sigwaitinfo()。其中，sigqueue主要針對(duì)信號(hào)發(fā)送，而sigtimedwait及sigwaitinfo()主要用于取代sigsuspend()函數(shù)，后面有相應(yīng)實(shí)例。
#include <signal.h>
int sigwaitinfo(sigset_t *set, siginfo_t *info).
|
該函數(shù)與sigsuspend()類似，阻塞一個(gè)進(jìn)程直到特定信號(hào)發(fā)生，但信號(hào)到來時(shí)不執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)，而是返回信號(hào)值。因此為了避免執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)，必須在調(diào)用該函數(shù)前，使進(jìn)程屏蔽掉set指向的信號(hào)，因此調(diào)用該函數(shù)的典型代碼是：
sigset_t newmask;
int rcvd_sig;
siginfo_t info;
sigemptyset(&newmask);
sigaddset(&newmask, SIGRTMIN);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL);
rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info)
if (rcvd_sig == -1) {
..
}
|
調(diào)用成功返回信號(hào)值，否則返回-1。sigtimedwait()功能相似，只不過增加了一個(gè)進(jìn)程等待的時(shí)間。
- 程序的穩(wěn)定性。
為了增強(qiáng)程序的穩(wěn)定性，在信號(hào)處理函數(shù)中應(yīng)使用可重入函數(shù)。
信號(hào)處理程序中應(yīng)當(dāng)使用可再入（可重入）函數(shù)（注：所謂可重入函數(shù)是指一個(gè)可以被多個(gè)任務(wù)調(diào)用的過程，任務(wù)在調(diào)用時(shí)不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)是否會(huì)出錯(cuò)）。因?yàn)檫M(jìn)程在收到信號(hào)后，就將跳轉(zhuǎn)到信號(hào)處理函數(shù)去接著執(zhí)行。如果信號(hào)處理函數(shù)中使用了不可重入函數(shù)，那么信號(hào)處理函數(shù)可能會(huì)修改原來進(jìn)程中不應(yīng)該被修改的數(shù)據(jù)，這樣進(jìn)程從信號(hào)處理函數(shù)中返回接著執(zhí)行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)料的后果。不可再入函數(shù)在信號(hào)處理函數(shù)中被視為不安全函數(shù)。
滿足下列條件的函數(shù)多數(shù)是不可再入的：（1）使用靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如getlogin()，gmtime()，getgrgid()，getgrnam()，getpwuid()以及getpwnam()等等；（2）函數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，調(diào)用了malloc（）或者free()函數(shù)；（3）實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)的。The Open Group視下列函數(shù)為可再入的：
_exit（）、access（）、alarm（）、cfgetispeed（）、cfgetospeed（）、cfsetispeed（）、cfsetospeed（）、chdir（）、chmod（）、chown（）、close（）、creat（）、dup（）、dup2（）、execle（）、execve（）、fcntl（）、fork（）、fpathconf（）、fstat（）、fsync（）、getegid（）、 geteuid（）、getgid（）、getgroups（）、getpgrp（）、getpid（）、getppid（）、getuid（）、kill（）、link（）、lseek（）、mkdir（）、mkfifo（）、 open（）、pathconf（）、pause（）、pipe（）、raise（）、read（）、rename（）、rmdir（）、setgid（）、setpgid（）、setsid（）、setuid（）、 sigaction（）、sigaddset（）、sigdelset（）、sigemptyset（）、sigfillset（）、sigismember（）、signal（）、sigpending（）、sigprocmask（）、sigsuspend（）、sleep（）、stat（）、sysconf（）、tcdrain（）、tcflow（）、tcflush（）、tcgetattr（）、tcgetpgrp（）、tcsendbreak（）、tcsetattr（）、tcsetpgrp（）、time（）、times（）、 umask（）、uname（）、unlink（）、utime（）、wait（）、waitpid（）、write（）。
即使信號(hào)處理函數(shù)使用的都是"安全函數(shù)"，同樣要注意進(jìn)入處理函數(shù)時(shí)，首先要保存errno的值，結(jié)束時(shí)，再恢復(fù)原值。因?yàn)?，信?hào)處理過程中，errno值隨時(shí)可能被改變。另外，longjmp()以及siglongjmp()沒有被列為可再入函數(shù)，因?yàn)椴荒鼙ＷC緊接著兩個(gè)函數(shù)的其它調(diào)用是安全的。
回頁(yè)首
三、深入淺出：信號(hào)應(yīng)用實(shí)例
linux下的信號(hào)應(yīng)用并沒有想象的那么恐怖，程序員所要做的最多只有三件事情：
- 安裝信號(hào)（推薦使用sigaction()）；
- 實(shí)現(xiàn)三參數(shù)信號(hào)處理函數(shù)，handler(int signal,struct siginfo *info, void *)；
- 發(fā)送信號(hào)，推薦使用sigqueue()。
實(shí)際上，對(duì)有些信號(hào)來說，只要安裝信號(hào)就足夠了（信號(hào)處理方式采用缺省或忽略）。其他可能要做的無非是與信號(hào)集相關(guān)的幾種操作。
實(shí)例一：信號(hào)發(fā)送及處理
實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)接收程序sigreceive（其中信號(hào)安裝由sigaction（））。
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
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;
if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
{
printf("install sigal error\n");
}
while(1)
{
sleep(2);
printf("wait for the signal\n");
}
}
void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
{
printf("receive signal %d", signum);
sleep(5);
}
|
說明，命令行參數(shù)為信號(hào)值，后臺(tái)運(yùn)行sigreceive signo &，可獲得該進(jìn)程的ID，假設(shè)為pid，然后再另一終端上運(yùn)行kill -s signo pid驗(yàn)證信號(hào)的發(fā)送接收及處理。同時(shí)，可驗(yàn)證信號(hào)的排隊(duì)問題。
注：可以用sigqueue實(shí)現(xiàn)一個(gè)命令行信號(hào)發(fā)送程序sigqueuesend，見 附錄1。
實(shí)例二：信號(hào)傳遞附加信息
主要包括兩個(gè)實(shí)例：
- 向進(jìn)程本身發(fā)送信號(hào)，并傳遞指針參數(shù)；
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
void new_op(int,siginfo_t*,void*);
int main(int argc,char**argv)
{
struct sigaction act;
union sigval mysigval;
int i;
int sig;
pid_t pid;
char data[10];
memset(data,0,sizeof(data));
for(i=0;i < 5;i++)
data[i]='2';
mysigval.sival_ptr=data;
sig=atoi(argv[1]);
pid=getpid();
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_sigaction=new_op;//三參數(shù)信號(hào)處理函數(shù)
act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息傳遞開關(guān)
if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
{
printf("install sigal error\n");
}
while(1)
{
sleep(2);
printf("wait for the signal\n");
sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，并傳遞附加信息
}
}
void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三參數(shù)信號(hào)處理函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
{
int i;
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%c\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i)));
}
printf("handle signal %d over;",signum);
}
|
這個(gè)例子中，信號(hào)實(shí)現(xiàn)了附加信息的傳遞，信號(hào)究竟如何對(duì)這些信息進(jìn)行處理則取決于具體的應(yīng)用。
- 2、 不同進(jìn)程間傳遞整型參數(shù)：把1中的信號(hào)發(fā)送和接收放在兩個(gè)程序中，并且在發(fā)送過程中傳遞整型參數(shù)。
信號(hào)接收程序：
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
void new_op(int,siginfo_t*,void*);
int main(int argc,char**argv)
{
struct sigaction act;
int sig;
pid_t pid;
pid=getpid();
sig=atoi(argv[1]);
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_sigaction=new_op;
act.sa_flags=SA_SIGINFO;
if(sigaction(sig,&act,NULL)<0)
{
printf("install sigal error\n");
}
while(1)
{
sleep(2);
printf("wait for the signal\n");
}
}
void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
{
printf("the int value is %d \n",info->si_int);
}
|
信號(hào)發(fā)送程序：命令行第二個(gè)參數(shù)為信號(hào)值，第三個(gè)參數(shù)為接收進(jìn)程ID。
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main(int argc,char**argv)
{
pid_t pid;
int signum;
union sigval mysigval;
signum=atoi(argv[1]);
pid=(pid_t)atoi(argv[2]);
mysigval.sival_int=8;//不代表具體含義，只用于說明問題
if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1)
printf("send error\n");
sleep(2);
}
|
注：實(shí)例2的兩個(gè)例子側(cè)重點(diǎn)在于用信號(hào)來傳遞信息，目前關(guān)于在linux下通過信號(hào)傳遞信息的實(shí)例非常少，倒是Unix下有一些，但傳遞的基本上都是關(guān)于傳遞一個(gè)整數(shù)，傳遞指針的我還沒看到。我一直沒有實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程間的指針傳遞（實(shí)際上更有意義），也許在實(shí)現(xiàn)方法上存在問題吧，請(qǐng)實(shí)現(xiàn)者email我。
實(shí)例三：信號(hào)阻塞及信號(hào)集操作
#include "signal.h"
#include "unistd.h"
static void my_op(int);
main()
{
sigset_t new_mask,old_mask,pending_mask;
struct sigaction act;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags=SA_SIGINFO;
act.sa_sigaction=(void*)my_op;
if(sigaction(SIGRTMIN+10,&act,NULL))
printf("install signal SIGRTMIN+10 error\n");
sigemptyset(&new_mask);
sigaddset(&new_mask,SIGRTMIN+10);
if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask,&old_mask))
printf("block signal SIGRTMIN+10 error\n");
sleep(10);
printf("now begin to get pending mask and unblock SIGRTMIN+10\n");
if(sigpending(&pending_mask)<0)
printf("get pending mask error\n");
if(sigismember(&pending_mask,SIGRTMIN+10))
printf("signal SIGRTMIN+10 is pending\n");
if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&old_mask,NULL)<0)
printf("unblock signal error\n");
printf("signal unblocked\n");
sleep(10);
}
static void my_op(int signum)
{
printf("receive signal %d \n",signum);
}
|
編譯該程序，并以后臺(tái)方式運(yùn)行。在另一終端向該進(jìn)程發(fā)送信號(hào)(運(yùn)行kill -s 42 pid，SIGRTMIN+10為42)，查看結(jié)果可以看出幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)的運(yùn)行機(jī)制，信號(hào)集相關(guān)操作比較簡(jiǎn)單。
注：在上面幾個(gè)實(shí)例中，使用了printf()函數(shù)，只是作為診斷工具，pringf()函數(shù)是不可重入的，不應(yīng)在信號(hào)處理函數(shù)中使用。
回頁(yè)首
結(jié)束語(yǔ)：
系統(tǒng)地對(duì)linux信號(hào)機(jī)制進(jìn)行分析、總結(jié)使我受益匪淺！感謝王小樂等網(wǎng)友的支持！
Comments and suggestions are greatly welcome!
回頁(yè)首
附錄1：
用sigqueue實(shí)現(xiàn)的命令行信號(hào)發(fā)送程序sigqueuesend，命令行第二個(gè)參數(shù)是發(fā)送的信號(hào)值，第三個(gè)參數(shù)是接收該信號(hào)的進(jìn)程ID，可以配合實(shí)例一使用：
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc,char**argv)
{
pid_t pid;
int sig;
sig=atoi(argv[1]);
pid=atoi(argv[2]);
sigqueue(pid,sig,NULL);
sleep(2);
}
|
|
