UNIX环境编程学习笔记（23）——信号处理初步学习

lienhua34
2014-10-29

1 信号的概念

维基百科中关于信号的描述是这样的:

在计算机科学中,信号(英语:Signals)是 Unix、类 Unix 以及其他 POSIX 兼容的操作系统中进程间通讯的一种有限制的方式。它是一种异步的通知机制,用来提醒进程一个事件已经发生。当一个信号发送给一个进程,操作系统中断了进程正常的控制流程,此时,任何非原子操作都将被中断。如果进程定义了信号的处理函数,那么它将被执行,否则就执行默认的处理函数。

关于这段描述,我们可以从中学习到下面几点关于信号的知识,

1. 信号是什么:UNIX 进程间的一种异步通讯机制。

2. 信号的作用:提醒目标进程某事件的发生,并中断了目标进程正常的控制流程。

3. 进程对信号的处理:目标进程可以执行信号的默认处理函数,或者执行进程自定义的信号处理程序。

每个信号都有一个名字, 这些名字都以三个字符 SIG 开头。 例如,SIGABRT是夭折信号, 当进程调用 abort 函数时产生这种信号。SIGALRM 是闹钟信号,当由 alarm 函数设置的计时器超时后产生此信号。在 UNIX 系统中,这些信号都定义在头文件 <signal.h> 中,并且都是以一个正整数来表示(信号编号)。通过在 shell 中运行命令 kill -l 可以查看当前系统所执行的所有信号。

UNIX 系统规定了内核可以对信号执行以下三种处理行为,

1. 忽略此信号。有两个信号 SIGKILL 和 SIGSTOP 不可忽略,这两个信号提供给超级用户终止或停止进程的可靠方法。

2. 执行系统默认动作。大多数信号的默认动作是终止进程。

3. 捕获信号,执行用户自定义的处理函数。

2 设置信号处理程序

UNIX 系统提供了 signal 函数来设置信号的处理程序,

#include <signal.h>

void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);

返回值:若成功则返回信号以前的处理配置,若出错则返回SIG_ERR

其中,参数 func 的值可以是,

• 常 量SIG_IGN, 向 内 核 表 示 忽 略 此 信 号 (有 两 个 信 号 SIGKILL 和SIGSTOP 不可忽略,调用 signal 函数会报错)。

• 常量SIG_DFL,表示执行信号的系统默认动作。

• 一个函数指针,表示信号发生时执行该函数进行处理,这个函数称为信号处理程序。信号处理函数接收一个 int 类型的信号值参数,无返回值。

signal 信号的返回值也是一个函数指针,指向该信号之前的信号处理程序。

下面我们来看一个例子,

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>

static void sig_usr(int);

int
main(void)
{
  if (signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
    printf("can't catch SIGUSR1: %s
", strerror(errno));
    exit(-1);
  }
  if (signal(SIGUSR2, sig_usr) == SIG_ERR) {
    printf("can't catch SIGUSR2: %s
", strerror(errno));
    exit(-1);
  }
  for (;;) {
    pause();
  }
  exit(0);
}

static void
sig_usr(int signo)
{
  if (signo == SIGUSR1) {
    printf("received SIGUSR1
");
  } else if (signo == SIGUSR2) {
    printf("received SIGUSR2
");
  } else {
    printf("received signal: %d
", signo);
  }
}

上面 signaldemo.c 程序为信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2 设置了信号处理程序sig_usr。然后在主流程 main 中循环调用 pause 等待信号,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);

返回值:-1,并将errno设置为EINTR

只有执行了一个信号处理程序并从中返回,pause 函数才返回。

编译 signaldemo.c 程序,生成并执行 signaldemo 文件,

lienhua34:demo$ gcc -o signaldemo signaldemo.c
lienhua34:demo$ ./signaldemo &
[1] 3033
lienhua34:demo$ kill -USR1 3033
lienhua34:demo$ received SIGUSR1
kill -USR2 3033
lienhua34:demo$ received SIGUSR2
kill 3033

其中 kill -USR1 3033 和 kill -USR2 3033 分别表示向进程 ID 为 3033 的进程发送信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2;而 kill 3033 表示向进程 3033 发送信号 SIGTERM,该信号会终止进程。

说明一下信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2,这是 UNIX 定义的两个用户定义信号。一个 UNIX 系统支持的信号类型是固定,用户不能够新增加信号类型。如果用户希望通过信号的机制来实现自己的功能,则可以通过自定义信号 SIGUSR1 或 SIGUSR2 的信号处理程序来实现自己想要的功能。例如维基百科中举的几个例子,

许 多程 序使 用 SIGUSR1 在线 程 和 进 程间 进行 同 步,例 如在Linux 2.0 中的 LinuxThreads 线程库(已被废弃,为 NPTL 所代替)。其它的程序,例如 dd 的某些版本,会在收到该信号时输出当前状态(Mac OS X 的 dd 实现会在收到 USR1 时暂停)。USR1 亦通常被用来告知应用程序重载配置文件;例如,向Apache HTTP 服务器发送一个 USR1 信号将导致以下步骤的发生:停止接受新的连接,等待当前连接停止,重新载入配置文件,重新打开日志文件,重启服务器,从而实现相对平滑的不关机的更改。

3 向进程发送信号

UNIX 系统提供了两个函数 kill 和 raise 来产生信号。kill 函数将信号发送给指定的进程或进程组。raise 函数则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);

两个函数返回值:若成功则返回0,若出错则返回-1

调用 raise(signo) 等价于 kill(getpid(), signo)。

kill 函数的 pid 参数有 4 种不同情况:

（1）pid>0 将信号发送给进程 ID 为 pid 的进程。

（2）pid==0 将信号发送给与发送进程属于同一个进程组的所有进程,而且发送进程具有向这些进程发送信号的权限。

（3）pid<0 将信号发送给其进程组 ID 等于 pid 的绝对值的所有进程,而且发送进程具有向这些进程发送信号的权限。

（4）pid==-1 将信号发送给发送进程有权限向他们发送信号的系统上的所有进程。

上面有两点需要说明一下:(1)“所有进程”不包括系统进程集;(2)发送进程是超级用户,或者发送进程的实际或有效用户 ID 等于接收进程的实际或有效用户 ID 才具有发送信号权限。下面来看个例子,

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

static void sig_usr(int);

int
main(void)
{
  pid_t pid;

  if (signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
    printf("can't catch SIGUSR1: %s
", strerror(errno));
    exit(-1);
  }
  if (signal(SIGUSR2, sig_usr) == SIG_ERR) {
    printf("can't catch SIGUSR2: %s
", strerror(errno));
    exit(-1);
  }

  if ((pid = fork()) < 0) {
    printf("fork error: %s
", strerror(errno));
    exit(-1);
  }
  else if (pid == 0) {
    pause();
    exit(0);
  }

  printf("process %d creates a child process %d
", getpid(), pid);

  sleep(1);
  kill(pid, SIGUSR1);
  waitpid(pid, NULL);
  raise(SIGUSR2);

  exit(0);
}

static void
sig_usr(int signo)
{
  if (signo == SIGUSR1) {
    printf("process %d received SIGUSR1
", getpid());
  } else if (signo == SIGUSR2) {
    printf("process %d received SIGUSR2
", getpid());
  } else {
    printf("process %d received signal: %d
", getpid(), signo);
  }
}

上面的 killdemo.c 程序文件中,父进程为信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2设置了信号处理程序sig_usr。然后调用 fork 创建一个子进程,子进程的信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2 的信号处理程序继承父进程的,同样是sig_usr(除非子进程调用了 exec 函数,子进程中这两个信号的信号处理动作才会设置为系统默认)。父进程调用 kill 函数向子进程发送信号 SIGUSR1,而调用 raise 函数向自身发送信号 SIGUSR2. 编译该程序,生成并执行 killdemo文件,

lienhua34:demo$ ./killdemo
process 3261 creates a child process 3262
process 3261 received SIGUSR2
process 3262 received SIGUSR1

通过上面的运行结果,可以看到父进程 3261 创建了子进程 3262,父进程 3261 捕获了信号 SIGUSR2,子进程捕获了信号 SIGUSR1。实际运行结果与预期结果相符合。

(done)