处理 Linux 信号：进程控制与异常管理的核心
个人主页：chian-ocean
文章专栏-Linux
前言：
在 Linux 操作系统中，信号是用于进程间通信的一种机制，能够向进程发送通知，指示某些事件的发生。信号通常由操作系统内核、硬件中断或其他进程发送。接收和处理信号是 Linux 系统中进程控制和资源管理的一个重要组成部分。
信号的保存
信号递送（Delivery）
- 信号的处理动作称为信号递送（Delivery）。
- 这意味着在 Linux 系统中，当信号发生时，它会被传递到目标进程并执行相应的操作。递送是信号处理的第一步，是信号机制中至关重要的一部分。
2. 信号未决（Pending）
-
信号从产生到递送之间的状态，称为信号未决（Pending）。
- 当信号发送到一个进程，但该进程因某些原因（如信号被屏蔽或进程正在执行其他操作）暂时无法处理信号时，这个信号就会处于未决状态，等待后续处理。
-
Linux内核是通过一个一个位图编标记信号，进而储存信号
block位图（通常是一个sigset_t类型的数据结构）用于记录当前进程被阻塞的信号。每一位代表一个特定的信号，当该位被设置为1时，表示该信号处于被阻塞状态；如果该位是0，则表示该信号未被阻塞，可以递送给进程。pending 位图（Pending Bitmap）用于记录进程中待处理的信号。位图是一个位数组，其中每个比特代表一个信号的状态（是否待处理）。headler代表的是该信号所需要用的方法。
sigset_t
定义：
sigset_t 是一个适用于信号管理的基本数据类型，通常在头文件
sigset_t 的用途
- 信号屏蔽：用于设置进程的信号掩码（signal mask），即哪些信号被屏蔽，不允许递送。例如，通过
sigprocmask函数修改信号掩码。 - 信号检查：通过
sigpending()函数检查进程是否有待处理的信号。 - 信号操作：例如，
sigaddset()和sigdelset()等函数可以用来向信号集添加或移除特定信号
常用函数与 sigset_t 的操作
在 Linux 系统中，sigset_t 是一个数据类型，用于表示信号集，通常用于管理信号的掩码。它用于存储一个进程中多个信号的集合，可以用来表示进程阻塞的信号、待处理的信号等。
sigset_t 类型定义
sigset_t 是一个适用于信号管理的基本数据类型，通常在头文件
sigset_t 的用途
sigset_t 主要用于以下几个方面：
- 信号屏蔽：用于设置进程的信号掩码（signal mask），即哪些信号被屏蔽，不允许递送。例如，通过
sigprocmask函数修改信号掩码。 - 信号检查：通过
sigpending()函数检查进程是否有待处理的信号。 - 信号操作：例如，
sigaddset()和sigdelset()等函数可以用来向信号集添加或移除特定信号。
sigset_t 的操作
以下是一些与 sigset_t 相关的常见操作函数：
-
sigemptyset(sigset_t ,*set)： 初始化一个空的信号集（即不包含任何信号）。sigset_t set; sigemptyset(&set); // 将 set 设为空信号集 -
sigfillset(sigset_t ,*set)： 初始化一个包含所有信号的信号集。sigset_t set; sigfillset(&set); // 将 set 设为包含所有信号的信号集 -
sigaddset(sigset_t ,*set, int signo)： 将指定的信号添加到信号集。sigset_t set; sigemptyset(&set); sigaddset(&set, SIGINT); // 将 SIGINT 添加到 set 中 -
sigdelset(sigset_t ,*set, int signo)： 从信号集移除指定的信号。sigdelset(&set, SIGINT); // 从 set 中删除 SIGINT -
sigismember(const sigset_t ,*set, int signo)： 检查指定的信号是否在信号集中。if (sigismember(&set, SIGINT)) { // 如果 SIGINT 在 set 集合中 }
控制sigset_t常见函数
sigprocmask(int how, const sigset_t ,*set, sigset_t ,*oldset)： 修改进程的信号掩码（即屏蔽哪些信号）。
-
sigismember(const sigset_t ,*set, int signo)： 检查指定的信号是否在信号集中。if (sigismember(&set, SIGINT)) { // 如果 SIGINT 在 set 集合中 }-
how:参数控制信号掩码的设置方式：
SIG_BLOCK：把 set中的信号添加到blocked中(blocked= blocked | set)。SIG_UNBLOCK：从 blocked中删除 set中的信号(blocked= blocked & set)。SIG_SETMASK：block= set
sigset_t set, oldset; sigemptyset(&set); sigaddset(&set, SIGINT); sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset); // 阻塞 SIGINT -
-
sigpending(sigset_t g*set)： 获取当前进程的未决信号集，返回一个信号集，表示所有尚未被处理的信号。sigset_t set; sigpending(&set); // 获取当前进程的待处理信号
屏蔽字的实例
#include - 代码中我会每秒打印
penging中的数据 - 第三秒中的时候，像进程发送2好信号，
penging中会显示为处理的信号，在bolck中该信号被阻塞，也就是被屏蔽。 - 代码执行第五秒中的时候，进程阻塞信号解除，由于
penging中有未处理的信号，就会执行2好号信号。
信号的捕捉
信号捕捉的时机
- 进程是否正在执行系统调用。
- 进程是否在空闲状态（如调用
sleep()）。 - 信号是否被发送。
- 信号是否被阻塞或保留直到适当时机。
- 信号是否导致进程退出或崩溃时处理。
信号执行的流程
- 用户模式：进程在用户模式下执行，直到某个信号因中断、异常或系统调用被触发。
- 内核模式：当信号被触发时，操作系统切换到内核模式，进行信号的处理。内核会完成信号的处理并准备将进程返回到用户模式之前的状态。
- 信号处理：在信号处理过程中，内核会调用信号处理函数（如
do_signal()）。如果信号需要对用户指定的特定处理，系统会在信号处理时调用相应的函数。 - 处理返回：信号处理函数执行完毕后，操作系统会通过
sigreturn系统调用返回到用户模式。 - 恢复执行：操作系统恢复用户模式下的程序执行，从中断的地方继续执行。
用户态和内核态的切换
用户态到内核态：
- 触发方式：通过系统调用（如
read(),write()）或硬件中断（如键盘中断）。 - 过程：
- 当用户程序调用系统调用时，会执行一个软中断（例如x86的
int 0x80指令）。 - 内核会保存当前用户程序的上下文（如程序计数器、堆栈指针等），并设置内核模式。
- 进入内核代码执行，执行完后，准备返回用户态。
- 当用户程序调用系统调用时，会执行一个软中断（例如x86的
内核态到用户态：
- 触发方式：内核任务完成后，需要返回用户程序继续执行。
- 过程：
- 内核将处理结果返回用户进程，并恢复用户进程的上下文。
- 恢复用户态的堆栈指针、程序计数器等寄存器，并将程序从内核模式切换回用户模式。
- 继续执行用户进程。
sigaction
sigaction是处理粒度更加强大的一个系统调用。
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
参数：
signum：指定信号的编号（例如，SIGINT、SIGTERM等）。act：指向struct sigaction结构体的指针，用于指定新的信号处理程序及其设置。oldact：指向struct sigaction结构体的指针，用于保存之前的信号处理程序（可选）。如果不关心旧的处理程序，可以传递NULL。
返回值：
- 成功时，返回
0。 - 失败时，返回
-1并设置errno。
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); // 信号处理函数
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 备用信号处理函数
sigset_t sa_mask; // 用于指定在信号处理期间要阻塞的信号
int sa_flags; // 信号处理行为的标志
void (*sa_restorer)(void); // 不常用，保留字段
};
代码示例：
#include信号处理函数 headler：
- 该函数定义了如何处理接收到的
SIGINT信号。当捕获到SIGINT信号时，会输出信号编号，然后模拟处理过程（休眠 4秒），最后退出程序并返回状态码 1。
信号处理结构体 sigaction：
sigaction是用来定义和控制信号处理方式的结构体。通过它可以设置信号的处理函数、信号掩码等信息。- 通过
memset清空结构体，确保没有未初始化的字段。 - 使用
sigemptyset和sigaddset配置信号屏蔽集，指定在处理SIGINT时，阻塞其他信号（在本例中，仅阻塞SIGINT自身）。
sigaction 调用：
sigaction(SIGINT, &sa, &osa)设置SIGINT信号的处理程序为headler，并保存原来的信号处理方式（虽然在这里我们没有使用osa来恢复原处理方式）。
进程运行：
- 进入无限循环
while(true)，打印当前进程的pid（进程 ID），模拟一个长时间运行的进程。 - 每秒输出一次进程信息，并通过
sleep(1)使程序每秒钟暂停一次。
信号捕获时期的相关问题
- 信号递归：信号处理期间默认屏蔽当前信号，避免递归调用。
void headler(int signo)
{
int cnt = 20;
while(cnt --)
{
std::cout << "catch signal --- signo :" << signo <<std:: endl;
sleep(1);
}
exit(1);
}
- 在这里面
headler方法进行循环,并且休眠一秒，在此期间持续像进发送2号信号。
- 同时可以及逆行进行多信号屏蔽。
sigaddset(&sa.sa_mask,1);
sigaddset(&sa.sa_mask,3);
sigaddset(&sa.sa_mask,4);
- 信号丢失：如果信号未及时处理，可能丢失，尤其是长时间阻塞时。
- 系统调用中断：信号可能中断系统调用，导致
EINTR错误。 - 信号屏蔽问题：如果未正确设置信号掩码，可能导致信号被过多屏蔽或错误处理。
信号pending表的处理时机
- 信号在调用处理方法之前会被制空
#include- 程序启动后，会阻塞 SIGINT 信号。
- 每秒钟，程序打印当前进程的 PID 和挂起的信号状态。
- 每经过 5 次循环，解除对 SIGINT 信号的阻塞，允许信号被捕获并处理。
- 捕获到 SIGINT 信号后，
headler会打印挂起信号状态，处理信号并退出。
