20191302第六章学习笔记

第六章 信号与信号处理

本章概述

• 本章讲述了信号和信号处理;
• 介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看待信号;将信号视为进程中断，将进程从正常执行转移到信号处理;
• 解释了信号的来源，包括来自硬件、异常和其他进程的信号;
• 然后举例说明了信号在Unix/Linux 中的常见用法;
• 详细解释了Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤;
• 用示例展示了如何安装信号捕捉器来处理程序异常，如用户模式下的段错误;
• 还讨论了将信号用作进程间通信（IPC）机制的适用性。读者可借助该编程项目，使用信号和管道来实现用于进程交换信息的进程间通信机制。

信号和中断

• “中断”是从I/O设备或协处理器发送到CPU的外部请求，它将CPU从正常执行转移 到中断处理。与发送给CPU的中断请求一样，“信号”是发送给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。
• 进程：一个“进程”就是一系列活动。广义的 “进程”包括：从事日常事务的人。在用户模式或内核模式下运行的Unix/Linux进程。执行机器指令的CPU。
• “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。
• 根据来源，中断可分为三类：
  • 来自硬件的中断；
  • 来自其他人的中断；
  • 自己造成的中断。
• 按照紧急程度，中断可分为以下几类:
  • 不可屏蔽(NMI)；
  • 可屏蔽。
• 进程中断
  • 这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的中断:
  • 来自硬件的中断:终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。
  • 来自其他进程的中断:kill(pid，SIG#), death_of_child等。
  • 自己造成的中断:除以0、无效地址等。
  • 每个进程中断都被转换为一个唯一ID号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我们始终可限制在一个进程中的中断的数量。
  • Unix/Linux中的进程中断称为信号，编号为1到31。
  • 进程的PROC结构体中有对应每个信号的动作函数，进程可在收到信号后执行该动作函数。
  • 与人员类似，进程也可屏蔽某些类型的信号，以推迟处理。必要时，进程还可能会修改信号动作函数。
• 硬件中断：
  • 这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源：
    • 来自硬件的中断：定时器、I/O设备等.
    • 来自其他处理器的中断：FFP. DMA、多处理器系统中的其他CPU。
    • 自己造成的中断：除以0、保护错误、INT指令。
• 毎个中断都有唯一的中断向量号。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。
• 进程的陷阱错误
  • 进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的，例如除以0、无效地址、非法指令、越权等。
  • 当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。

Unix/Linux中的信号处理

• 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
#define SIGINT
#define SIGQUIT
#define SIGILL #define SIGTRAP
#define SIGABRT #define SIGIOT
#define SIGBUS
#define SIGFPE
#define SIGKILL
#define SIGUSR1
#define SIGSEGV
#define SIGUSR2
#define SIGPIPE #define SIGALRM
#define SIGTERM
#define SIGSTKFLT
#define SIGCHLD
#define SIGCONT
#define SIGSTOP
#define SIGTSTP
#define SIGTTIN
#define SIGTTOU
#define SIGURG
#define SIGXCPU
#define SIGXFSZ
#define SIGVTALRM
#define SIGPROF
#define SIGWINCH
#define SIGPOLL
#define SIGPWR
#define SIGSYS

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。原因如下：
  • “Ctr1+C”组合键会生成一个键盘硬件中断。键盘中断处理程序将“Ctrl+C”组合键转换为SIGINT(2)信号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输人的进程。在内核模式下，每个进程都要检查和处理未完成的信号。进程对大多数信号的默认操作是调用内核的kexit(exitValue)函数来终止。在Linux中，exitValue的低位字节是导致进程终止的信号编号。
• (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。
  • nobup命令会使sh像往常一样复刻子进程来执行程序，但是子进程会忽略SIGHuP(1)信号。当用户退出时，sh会向与终端有关的所有进程发送一个SIGHUP信号。后台进程在接收到这一信号后，会忽略它并继续运行。为防止后台进程使用终端进行I/O,后台进程通常会断开与终端的连接(通过将其文件描述符0、1、2重定向到/dev/null)，使其完全不受任何面向终端信号的影响。
• (3) 用户可以使用sh命令killpid(orkill-s9pia)杀死该进程。方法如下。
  • 执行杀死的进程向pid标识的目标进程发送一个SIGTERM ( 15 )信号，请求它死亡。目标进程将会遵从请求并终止。如果进程选择忽略SIGTERM信号，它可能拒绝死亡。

信号的来源

• 来自硬件中断的信号：在执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程硬件信号示例。
• 中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。
• 间隔定时器，当他的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。
• 其他硬件错误，如总线错误、IO陷进。
• 来自异常的信号：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时SIGSEGV（11），表示段错误。
• 来自其他进程的信号：进程可以使用kill（pid，sig）系统调用向pid标识的目标进程发送信号。

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）.其他非零值表示用户模式下预先安装的信号捕捉（处理）函数。下图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。
  

实践

#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
",
	       	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
");
*ip = 123;	// dereference a NULL pointer
printf("should not see this line
");
}
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
",getpid(), r);

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

运行结果