CSAPP第八章信号部分

信号基本含义

linux中信号就是一段消息，通知进程发生了某些事情，类比软件层面的异常（软中断）。

信号是一种软件形式的异常，允许进程和内核中断其他进程，可以用来通知用户进程发生了某些异常

Linux系统基本信号及其行为

常见的信号有：

• SIGINT（利用ctrl+c键发送给前台组的每个进程，默认是终止进程）
• SIGCHLD（子进程终止时，内核会发送这个信号给父进程）

信号术语

发送信号：内核更新进程的某个上下文；

接收信号：一个进程可以忽略一个信号，或者执行一段处理程序。

内核为每个进程维护了两个位向量，一个用来标记待处理信号pending，一个标记被阻塞信号blocked。只要传送了一个类型为k的信号，那么进程的pending的第k位就会设置为1。

这个实现有什么问题？一个信号没有被及时处理，那么后面几个信号就会丢失。对一个进程而言，同一时刻，同种类型的信号最多只能有一个处于待处理状态，多余的会被直接抛弃。

发送信号

在了解发送信号的方式前，需要了解两个概念：进程组和前后台作业

进程组

每个进程都属于且只属于一个进程组，一个进程组由一个正整数标识。

前后台作业

作业这个概念其实就是进程。不过作业是加了限定词的进程：unix shell用作业表示对一条命令行求值而创建的进程。

在任何时刻，至多有一个前台作业和0至多个后台作业。

发送信号的方式

（1）/bin/kill程序

linux> /bin/kill -9 15213 表示发送信号9（SIGKILL）给进程24818

linux> /bin/kill -9 -15213 表示发送信号9（SIGKILL）给进程组24818

（2）键盘发送

Crtl+C会导致内核发送一个SIGINT信号到前台进程组中的每一个进程。

（3）标准库接口

可以在函数中调用kill函数来对目的进程发送信号

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig); 

用alarm函数发送SIGALARM信号

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int secs); 

接收信号

接收信号：当目的进程被内核强迫以某种方式对信号的发送做出反应时，它就接收了信号。

接收信号的时机：内核把进程从内核模式切换到用户模式时（例如系统调用返回），它会检查进程的未被阻塞的待处理信号的集合（pending & ~blocked），如果集合非空，那么就会选择某个信号k，强制进程处理信号k。

接收信号的默认行为：

• 进程终止
• 忽略该信号
• 通过用户层函数信号处理程序捕获这个信号

修改信号的默认行为

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int); 

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

signum为信号序号，handler为信号处理程序。我们可以使用自定义的信号处理程序，也可以使用预定义的几个处理程序（SIG_IGN进程忽略该信号、SIG_DFL恢复该信号的默认行为）。

用户自定义的信号处理程序要遵从sighandler_t的信号处理原型，接收一个整数入参，无出参。

例子：

#include <signal.h>
void handler(int sig){
  if((waitpid(-1, NULL, 0)) < 0)
    unix_error("waitpid error");
}
int main(){
  if(signal(SIGCHLD, handler) == SIG_ERR)
    unix_error("signal error");
  return 0;
}

这里只要在main函数开始调用一次signal，就相当于从此以后改变了SIGCHLD信号的默认行为，让它去执行handler处理程序。当子进程终止或停止时，内核就会发送一个SIGCHLD信号到父进程中，此时就能让父进程去执行自己的工作，当子进程终止或停止时，发送SIGCHLD信号到父进程，则父进程会调用handler函数来对该子进程进行回收。

阻塞信号

Linux提供阻塞信号的隐式和显示的机制：

• 隐式阻塞机制：内核默认阻塞当前正在处理信号类型的待处理信号。
• 显示阻塞机制：应用程序通过sigprocmask函数来显示阻塞和解阻塞选定的信号。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

通过how来决定如何改变阻塞的信号集合blocked：

• 当how=SIG_BLOCK时，blocked = blocked | set

• 当how=SIG_UNBLOCK时，blocked = blocked & ~set

• 当how=SETMASK时，block = set

编写健壮的信号处理程序

如何编写安全、正确和可移植的信号处理程序？

并发认知

信号也是并发的一个例子，信号处理程序是一个独立的逻辑流（不是进程），与主程序并发运行。比如我们在进程A中执行一个while循环，当该进程受到一个信号时，内核会将控制权转移给该信号的处理程序，所以该信号处理程序是并发执行的，当信号处理程序结束时，再将控制转移给主程序。由于信号处理程序与主程序在同一进程中，所以具有相同的上下文，所以会共享程序中的所有全局变量。

原则

• 处理程序尽可能简单
• 处理程序使用异步信号安全的函数

所谓异步信号安全，要么可重入，要么不可中断。

• 保存和恢复errno
• 暂时阻塞所有信号，保护对全局数据结构的访问
• volatile声明全局变量
• sig_atomic_t 声明全局标志，确保原子操作

正确的信号处理

信号位向量的特性导致同类型信号丢弃现象

处理方法：一次信号处理函数调用尽可能多的处理信号

可移植的信号处理

不同的系统有不同的信号处理语义：

• signal函数的语义各有不同。
• 系统调用可以被中断。

要解决这些问题，定义了sigaction函数，它允许用户在设置信号处理时，明确指定他们想要的信号处理语义。

int sigaction(int signum, struct sigaction *act, struct sigaction *oldact)

信号同步

案例一：父子进程竞争

场景：子进程结束出发SIGCHLD信号，导致信号处理函数先运行，造成同步错误。

解决方法：在fork之前，阻塞SIGCHLD信号，等到某个特定位置运行完，再解锁信号。

启发：如果想要确保某些code（比如addjob）能在信号handler之前被运行，那么就阻塞该信号，直到该code执行完毕。

缺点：子进程需要额外解锁该信号。

案例二：显式等待某信号

场景：父进程等待子进程执行完毕。

while(!pid)
	;

浪费CPU

while(!pid)
	pause();

死锁风险：在while后收到信号，然后pause，永远收不到信号，无法返回。

while(!pid)
	sleep(1);

sleep无法确定睡眠间隔

最佳实践：

while(!pid)
	sigsuspend(&prev);

解读sigsuspend：

• 从语义上看，表示对某信号延迟处理，等待一段时间
• 从代码上来看，sigsuspend(&mask)等价于原子版本的以下三句组合：

sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &prev);
pause();
sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL); 

其中原子性是第一句和第二句，这两者之间的执行不会被中断。

实际使用

在调用sigsuspend前阻塞SIGCHLD信号

在调用sigsuspend时取消阻塞SIGCHLD信号（利用mask），那么SIGCHLD信号都会被等到pause执行完处理，然后又恢复阻塞SIGCHLD信号。