Linux系统编程（22）——响应信号

进程对信号的响应

进程可以通过三种方式来响应一个信号：

1、忽略信号，即对信号不做任何处理，其中，有两个信号不能忽略：SIGKILL及SIGSTOP；

2、捕捉信号。定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数；

3、执行缺省操作，Linux对每种信号都规定了默认操作。注意，进程对实时信号的缺省反应是进程终止。

Linux究竟采用上述三种方式的哪一个来响应信号，取决于传递给相应API函数的参数。

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：

用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。

当前正在执行main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。

在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。

内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。

sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。

如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

1、 sigaction

#include <signal.h>
 
int sigaction(int signo, const structsigaction *act, struct sigaction *oact);

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回-1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体：

struct sigaction {
  void      (*sa_handler)(int);   /* addr of signal handler, */
                                      /* orSIG_IGN, or SIG_DFL */
  sigset_t sa_mask;               /*additional signals to block */
  int      sa_flags;              /* signal options, Figure 10.16*/
 
   /*alternate handler */
  void     (*sa_sigaction)(int,siginfo_t *, void *);
};

将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作，赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号，或者说向内核注册了一个信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然，这也是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用。

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。

sa_flags字段包含一些选项，本章的代码都把sa_flags设为0，sa_sigaction是实时信号的处理函数，本章不详细解释这两个字段，有兴趣的读者参考[APUE2e]。

2、pause

#include <unistd.h>
 
int pause(void);

pause函数使调用进程挂起直到有信号递达。如果信号的处理动作是终止进程，则进程终止，pause函数没有机会返回；如果信号的处理动作是忽略，则进程继续处于挂起状态，pause不返回；如果信号的处理动作是捕捉，则调用了信号处理函数之后pause返回-1，errno设置为EINTR，所以pause只有出错的返回值（想想以前还学过什么函数只有出错返回值？）。错误码EINTR表示“被信号中断”。

下面我们用alarm和pause实现sleep(3)函数，称为mysleep。

#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
 
void sig_alrm(int signo)
{
         /*nothing to do */
}
 
unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
{
         structsigaction newact, oldact;
         unsignedint unslept;
 
         newact.sa_handler= sig_alrm;
         sigemptyset(&newact.sa_mask);
         newact.sa_flags= 0;
         sigaction(SIGALRM,&newact, &oldact);
 
         alarm(nsecs);
         pause();
 
         unslept= alarm(0);
         sigaction(SIGALRM,&oldact, NULL);
 
         returnunslept;
}
 
int main(void)
{
         while(1){
                   mysleep(2);
                   printf("Twoseconds passed
");
         }
         return0;
}

1、 main函数调用mysleep函数，后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数sig_alrm。

2、调用alarm(nsecs)设定闹钟。

3、调用pause等待，内核切换到别的进程运行。

4、nsecs秒之后，闹钟超时，内核发SIGALRM给这个进程。

5、从内核态返回这个进程的用户态之前处理未决信号，发现有SIGALRM信号，其处理函数是sig_alrm。

6、切换到用户态执行sig_alrm函数，进入sig_alrm函数时SIGALRM信号被自动屏蔽，从sig_alrm函数返回时SIGALRM信号自动解除屏蔽。然后自动执行系统调用sigreturn再次进入内核，再返回用户态继续执行进程的主控制流程（main函数调用的mysleep函数）。

7、pause函数返回-1，然后调用alarm(0)取消闹钟，调用sigaction恢复SIGALRM信号以前的处理动作。

3、可重入函数与不可重入函数

 

当捕捉到信号时，不论进程的主控制流程当前执行到哪儿，都会先跳到信号处理函数中执行，从信号处理函数返回后再继续执行主控制流程。信号处理函数是一个单独的控制流程，因为它和主控制流程是异步的，二者不存在调用和被调用的关系，并且使用不同的堆栈空间。引入了信号处理函数使得一个进程具有多个控制流程，如果这些控制流程访问相同的全局资源（全局变量、硬件资源等），就有可能出现冲突。

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的：

1、调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的。

2、调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

4、竞态条件与sigsuspend函数

现在重新审视上面的例子“mysleep”，设想这样的时序：

1、注册SIGALRM信号的处理函数。

2、调用alarm(nsecs)设定闹钟。

3、内核调度优先级更高的进程取代当前进程执行，并且优先级更高的进程有很多个，每个都要执行很长时间

4、nsecs秒钟之后闹钟超时了，内核发送SIGALRM信号给这个进程，处于未决状态。

5、优先级更高的进程执行完了，内核要调度回这个进程执行。SIGALRM信号递达，执行处理函数sig_alrm之后再次进入内核。

6、返回这个进程的主控制流程，alarm(nsecs)返回，调用pause()挂起等待。

7、可是SIGALRM信号已经处理完了，还等待什么呢？

出现这个问题的根本原因是系统运行的时序（Timing）并不像我们写程序时所设想的那样。虽然alarm(nsecs)紧接着的下一行就是pause()，但是无法保证pause()一定会在调用alarm(nsecs)之后的nsecs秒之内被调用。由于异步事件在任何时候都有可能发生（这里的异步事件指出现更高优先级的进程），如果我们写程序时考虑不周密，就可能由于时序问题而导致错误，这叫做竞态条件（Race Condition）。

如何解决上述问题呢？读者可能会想到，在调用pause之前屏蔽SIGALRM信号使它不能提前递达就可以了。看看以下方法可行吗？

1、屏蔽SIGALRM信号;

2、alarm(nsecs);

3、解除对SIGALRM信号的屏蔽;

4、pause();

从解除信号屏蔽到调用pause之间存在间隙，SIGALRM仍有可能在这个间隙递达。要消除这个间隙，我们把解除屏蔽移到pause后面可以吗？

1、屏蔽SIGALRM信号;

2、alarm(nsecs);

3、pause();

4、解除对SIGALRM信号的屏蔽;

这样更不行了，还没有解除屏蔽就调用pause，pause根本不可能等到SIGALRM信号。要是“解除信号屏蔽”和“挂起等待信号”这两步能合并成一个原子操作就好了，这正是sigsuspend函数的功能。sigsuspend包含了pause的挂起等待功能，同时解决了竞态条件的问题，在对时序要求严格的场合下都应该调用sigsuspend而不是pause。

#include <signal.h>
 
int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

和pause一样，sigsuspend没有成功返回值，只有执行了一个信号处理函数之后sigsuspend才返回，返回值为-1，errno设置为EINTR。

调用sigsuspend时，进程的信号屏蔽字由sigmask参数指定，可以通过指定sigmask来临时解除对某个信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值，如果原来对该信号是屏蔽的，从sigsuspend返回后仍然是屏蔽的。

以下用sigsuspend重新实现mysleep函数：

unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
{
         structsigaction    newact, oldact;
         sigset_t            newmask, oldmask, suspmask;
         unsignedint        unslept;
 
         /*set our handler, save previous information */
         newact.sa_handler= sig_alrm;
         sigemptyset(&newact.sa_mask);
         newact.sa_flags= 0;
         sigaction(SIGALRM,&newact, &oldact);
 
         /*block SIGALRM and save current signal mask */
         sigemptyset(&newmask);
         sigaddset(&newmask,SIGALRM);
         sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask, &oldmask);
 
         alarm(nsecs);
 
         suspmask= oldmask;
         sigdelset(&suspmask,SIGALRM);    /* make sure SIGALRM isn'tblocked */
         sigsuspend(&suspmask);            /* wait for any signal to be caught*/
 
         /*some signal has been caught,   SIGALRM isnow blocked */
 
         unslept= alarm(0);
         sigaction(SIGALRM,&oldact, NULL);  /* reset previousaction */
 
         /*reset signal mask, which unblocks SIGALRM */
         sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask, NULL);
         return(unslept);
}

1、如果在调用mysleep函数时SIGALRM信号没有屏蔽：

2、调用sigprocmask(SIG_BLOCK,&newmask, &oldmask);时屏蔽SIGALRM。

3、调用sigsuspend(&suspmask);时解除对SIGALRM的屏蔽，然后挂起等待待。

4、SIGALRM递达后suspend返回，自动恢复原来的屏蔽字，也就是再次屏蔽SIGALRM。

5、调用sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldmask, NULL);时再次解除对SIGALRM的屏蔽。