進程間通信之：信號

信號是UNIX中所使用的進程通信的一種最古老的方法。它是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，是一種異步通信方式。信號可以直接進行用戶空間進程和內(nèi)核進程之間的交互，內(nèi)核進程也可以利用它來通知用戶空間進程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件。它可以在任何時候發(fā)給某一進程，而無需知道該進程的狀態(tài)。如果該進程當前并未處于執(zhí)行態(tài)，則該信號就由內(nèi)核保存起來，直到該進程恢復(fù)執(zhí)行再傳遞給它為止；如果一個信號被進程設(shè)置為阻塞，則該信號的傳遞被延遲，直到其阻塞被取消時才被傳遞給進程。

在第2章kill命令中曾講解到“−l”選項，這個選項可以列出該系統(tǒng)所支持的所有信號的列表。在筆者的系統(tǒng)中，信號值在32之前的則有不同的名稱，而信號值在32以后的都是用“SIGRTMIN”或“SIGRTMAX”開頭的，這就是兩類典型的信號。前者是從UNIX系統(tǒng)中繼承下來的信號，為不可靠信號（也稱為非實時信號）；后者是為了解決前面“不可靠信號”的問題而進行了更改和擴充的信號，稱為“可靠信號”（也稱為實時信號）。那么為什么之前的信號不可靠呢？這里首先要介紹一下信號的生命周期。

一個完整的信號生命周期可以分為3個重要階段，這3個階段由4個重要事件來刻畫的：信號產(chǎn)生、信號在進程中注冊、信號在進程中注銷、執(zhí)行信號處理函數(shù)，如圖8.6所示。相鄰兩個事件的時間間隔構(gòu)成信號生命周期的一個階段。要注意這里的信號處理有多種方式，一般是由內(nèi)核完成的，當然也可以由用戶進程來完成，故在此沒有明確畫出。

圖8.6信號生命周期

一個不可靠信號的處理過程是這樣的：如果發(fā)現(xiàn)該信號已經(jīng)在進程中注冊，那么就忽略該信號。因此，若前一個信號還未注銷又產(chǎn)生了相同的信號就會產(chǎn)生信號丟失。而當可靠信號發(fā)送給一個進程時，不管該信號是否已經(jīng)在進程中注冊，都會被再注冊一次，因此信號就不會丟失。所有可靠信號都支持排隊，而所有不可靠信號都不支持排隊。

注意

這里信號的產(chǎn)生、注冊和注銷等是指信號的內(nèi)部實現(xiàn)機制，而不是調(diào)用信號的函數(shù)實現(xiàn)。因此，信號注冊與否，與本節(jié)后面講到的發(fā)送信號函數(shù)（如kill()等）以及信號安裝函數(shù)（如signal()等）無關(guān)，只與信號值有關(guān)。

用戶進程對信號的響應(yīng)可以有3種方式。

n 忽略信號，即對信號不做任何處理，但是有兩個信號不能忽略，即SIGKILL及SIGSTOP。

n 捕捉信號，定義信號處理函數(shù)，當信號發(fā)生時，執(zhí)行相應(yīng)的自定義處理函數(shù)。

n 執(zhí)行缺省操作，Linux對每種信號都規(guī)定了默認操作。

Linux中的大多數(shù)信號是提供給內(nèi)核的，表8.6列出了Linux中最為常見信號的含義及其默認操作。

表8.6 常見信號的含義及其默認操作

信號名

含義

默認操作

SIGHUP

該信號在用戶終端連接（正?；蚍钦＃┙Y(jié)束時發(fā)出，通常是在終端的控制進程結(jié)束時，通知同一會話內(nèi)的各個作業(yè)與控制終端不再關(guān)聯(lián)

終止

SIGINT

該信號在用戶鍵入INTR字符（通常是Ctrl-C）時發(fā)出，終端驅(qū)動程序發(fā)送此信號并送到前臺進程中的每一個進程

終止

SIGQUIT

該信號和SIGINT類似，但由QUIT字符（通常是Ctrl-）來控制

終止

SIGILL

該信號在一個進程企圖執(zhí)行一條非法指令時（可執(zhí)行文件本身出現(xiàn)錯誤，或者試圖執(zhí)行數(shù)據(jù)段、堆棧溢出時）發(fā)出

終止

SIGFPE

該信號在發(fā)生致命的算術(shù)運算錯誤時發(fā)出。這里不僅包括浮點運算錯誤，還包括溢出及除數(shù)為0等其他所有的算術(shù)錯誤

終止

SIGKILL

該信號用來立即結(jié)束程序的運行，并且不能被阻塞、處理或忽略

終止

SIGALRM

該信號當一個定時器到時的時候發(fā)出

終止

SIGSTOP

該信號用于暫停一個進程，且不能被阻塞、處理或忽略

暫停進程

SIGTSTP

該信號用于交互停止進程，用戶鍵入SUSP字符時（通常是Ctrl+Z）發(fā)出這個信號

停止進程

SIGCHLD

子進程改變狀態(tài)時，父進程會收到這個信號

忽略

SIGABORT

進程異常終止時發(fā)出

發(fā)送信號的函數(shù)主要有kill()、raise()、alarm()以及pause()，下面就依次對其進行介紹。

（1）函數(shù)說明。

kill()函數(shù)同讀者熟知的kill系統(tǒng)命令一樣，可以發(fā)送信號給進程或進程組（實際上，kill系統(tǒng)命令只是kill()函數(shù)的一個用戶接口）。這里需要注意的是，它不僅可以中止進程（實際上發(fā)出SIGKILL信號），也可以向進程發(fā)送其他信號。

與kill()函數(shù)所不同的是，raise()函數(shù)允許進程向自身發(fā)送信號。

（2）函數(shù)格式。

表8.7列出了kill()函數(shù)的語法要點。

表8.7 kill()函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>
#include<sys/types.h>

函數(shù)原型

intkill(pid_tpid,intsig)

函數(shù)傳入值

pid：

正數(shù)：要發(fā)送信號的進程號

0：信號被發(fā)送到所有和當前進程在同一個進程組的進程

-1：信號發(fā)給所有的進程表中的進程（除了進程號最大的進程外）

<-1：信號發(fā)送給進程組號為-pid的每一個進程

sig：信號

函數(shù)返回值

成功：0

出錯：-1

表8.8列出了raise()函數(shù)的語法要點。

表8.8 raise()函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>
#include<sys/types.h>

函數(shù)原型

intraise(intsig)

函數(shù)傳入值

sig：信號

函數(shù)返回值

成功：0

出錯：-1

（3）函數(shù)實例。

下面這個示例首先使用fork()創(chuàng)建了一個子進程，接著為了保證子進程不在父進程調(diào)用kill()之前退出，在子進程中使用raise()函數(shù)向自身發(fā)送SIGSTOP信號，使子進程暫停。接下來再在父進程中調(diào)用kill()向子進程發(fā)送信號，在該示例中使用的是SIGKILL，讀者可以使用其他信號進行練習(xí)。

/*kill_raise.c*/

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<signal.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/wait.h>

intmain()

{

pid_tpid;

intret;

/*創(chuàng)建一子進程*/

if((pid=fork())<0)

{

printf("Forkerrorn");

exit(1);

}

if(pid==0)

{

/*在子進程中使用raise()函數(shù)發(fā)出SIGSTOP信號,使子進程暫停*/

printf("Child(pid:%d)iswaitingforanysignaln",getpid());

raise(SIGSTOP);

exit(0);

}

else

{

/*在父進程中收集子進程發(fā)出的信號，并調(diào)用kill()函數(shù)進行相應(yīng)的操作*/

if((waitpid(pid,NULL,WNOHANG))==0)

{

if((ret=kill(pid,SIGKILL))==0)

{

printf("Parentkill%dn",pid);

}

}

waitpid(pid,NULL,0);

exit(0);

}

}

該程序運行結(jié)果如下所示：

$./kill_raise

Child(pid:4877)iswaitingforanysignal

Parentkill4877

（1）函數(shù)說明。

alarm()也稱為鬧鐘函數(shù)，它可以在進程中設(shè)置一個定時器，當定時器指定的時間到時，它就向進程發(fā)送SIGALARM信號。要注意的是，一個進程只能有一個鬧鐘時間，如果在調(diào)用alarm()之前已設(shè)置過鬧鐘時間，則任何以前的鬧鐘時間都被新值所代替。

pause()函數(shù)是用于將調(diào)用進程掛起直至捕捉到信號為止。這個函數(shù)很常用，通常可以用于判斷信號是否已到。

（2）函數(shù)格式。

表8.9列出了alarm()函數(shù)的語法要點。

表8.9 alarm()函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<unistd.h>

函數(shù)原型

unsignedintalarm(unsignedintseconds)

函數(shù)傳入值

seconds：指定秒數(shù)，系統(tǒng)經(jīng)過seconds秒之后向該進程發(fā)送SIGALRM信號

函數(shù)返回值

成功：如果調(diào)用此alarm()前，進程中已經(jīng)設(shè)置了鬧鐘時間，則返回上一個鬧鐘時間的剩余時間，否則返回0

出錯：-1

表8.10列出了pause()函數(shù)的語法要點。

表8.10 pause()函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<unistd.h>

函數(shù)原型

intpause(void)

函數(shù)返回值

-1，并且把error值設(shè)為EINTR

（3）函數(shù)實例。

該實例實際上已完成了一個簡單的sleep()函數(shù)的功能，由于SIGALARM默認的系統(tǒng)動作為終止該進程，因此程序在打印信息之前，就會被結(jié)束了。代碼如下所示：

/*alarm_pause.c*/

#include<unistd.h>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

intmain()

{

/*調(diào)用alarm定時器函數(shù)*/

intret=alarm(5);

pause();

printf("Ihavebeenwakenup.n",ret);/*此語句不會被執(zhí)行*/

}

$./alarm_pause

Alarmclock

想一想

用這種形式實現(xiàn)的sleep()功能有什么問題？

在了解了信號的產(chǎn)生與捕獲之后，接下來就要對信號進行具體的操作了。從前面的信號概述中讀者也可以看到，特定的信號是與一定的進程相聯(lián)系的。也就是說，一個進程可以決定在該進程中需要對哪些信號進行什么樣的處理。例如，一個進程可以選擇忽略某些信號而只處理其他一些信號，另外，一個進程還可以選擇如何處理信號?？傊?，這些都是與特定的進程相聯(lián)系的。因此，首先就要建立進程與其信號之間的對應(yīng)關(guān)系，這就是信號的處理。

注意

請讀者注意信號的注冊與信號的處理之間的區(qū)別，前者信號是主動方，而后者進程是主動方。信號的注冊是在進程選擇了特定信號處理之后特定信號的主動行為。

信號處理的主要方法有兩種，一種是使用簡單的signal()函數(shù)，另一種是使用信號集函數(shù)組。下面分別介紹這兩種處理方式。

（1）函數(shù)說明。

使用signal()函數(shù)處理時，只需要指出要處理的信號和處理函數(shù)即可。它主要是用于前32種非實時信號的處理，不支持信號傳遞信息，但是由于使用簡單、易于理解，因此也受到很多程序員的歡迎。

Linux還支持一個更健壯、更新的信號處理函數(shù)sigaction()，推薦使用該函數(shù)。

（2）函數(shù)格式。

signal()函數(shù)的語法要點如表8.11所示。

表8.11 signal()函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>

函數(shù)原型

void(*signal(intsignum,void(*handler)(int)))(int)

函數(shù)傳入值

signum：指定信號代碼

handler：

SIG_IGN：忽略該信號

SIG_DFL：采用系統(tǒng)默認方式處理信號

自定義的信號處理函數(shù)指針

函數(shù)返回值

成功：以前的信號處理配置

出錯：-1

這里需要對這個函數(shù)原型進行說明。這個函數(shù)原型有點復(fù)雜?？上扔萌缦碌膖ypedef進行替換說明：

typedefvoidsign(int);

sign*signal(int,handler*);

可見，首先該函數(shù)原型整體指向一個無返回值并且?guī)б粋€整型參數(shù)的函數(shù)指針，也就是信號的原始配置函數(shù)。接著該原型又帶有兩個參數(shù)，其中的第二個參數(shù)可以是用戶自定義的信號處理函數(shù)的函數(shù)指針。

表8.12列舉了sigaction()的語法要點。

表8.12 sigaction()函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>

函數(shù)原型

intsigaction(intsignum,conststructsigaction*act,structsigaction*oldact)

函數(shù)傳入值

signum：信號代碼，可以為除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一個特定有效的信號

act：指向結(jié)構(gòu)sigaction的一個實例的指針，指定對特定信號的處理

oldact：保存原來對相應(yīng)信號的處理

函數(shù)返回值

成功：0

出錯：-1

這里要說明的是sigaction()函數(shù)中第2個和第3個參數(shù)用到的sigaction結(jié)構(gòu)。這是一個看似非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，希望讀者能夠慢慢閱讀此段內(nèi)容。

首先給出了sigaction的定義，如下所示：

structsigaction

{

void(*sa_handler)(intsigno);

sigset_tsa_mask;

intsa_flags;

void(*sa_restore)(void);

}

sa_handler是一個函數(shù)指針，指定信號處理函數(shù)，這里除可以是用戶自定義的處理函數(shù)外，還可以為SIG_DFL（采用缺省的處理方式）或SIG_IGN（忽略信號）。它的處理函數(shù)只有一個參數(shù)，即信號值。

sa_mask是一個信號集，它可以指定在信號處理程序執(zhí)行過程中哪些信號應(yīng)當被屏蔽，在調(diào)用信號捕獲函數(shù)之前，該信號集要加入到信號的信號屏蔽字中。

sa_flags中包含了許多標志位，是對信號進行處理的各個選擇項。它的常見可選值如表8.13所示。

表8.13 常見信號的含義及其默認操作

選項

含義

SA_NODEFERSA_NOMASK

當捕捉到此信號時，在執(zhí)行其信號捕捉函數(shù)時，系統(tǒng)不會自動屏蔽此信號

SA_NOCLDSTOP

進程忽略子進程產(chǎn)生的任何SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN和SIGTTOU信號

SA_RESTART

令重啟的系統(tǒng)調(diào)用起作用

SA_ONESHOTSA_RESETHAND

自定義信號只執(zhí)行一次，在執(zhí)行完畢后恢復(fù)信號的系統(tǒng)默認動作

（3）使用實例。

第一個實例表明了如何使用signal()函數(shù)捕捉相應(yīng)信號，并做出給定的處理。這里，my_func就是信號處理的函數(shù)指針。讀者還可以將其改為SIG_IGN或SIG_DFL查看運行結(jié)果。第二個實例是用sigaction()函數(shù)實現(xiàn)同樣的功能。

以下是使用signal()函數(shù)的示例：

/*signal.c*/

#include<signal.h>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

/*自定義信號處理函數(shù)*/

voidmy_func(intsign_no)

{

if(sign_no==SIGINT)

{

printf("IhavegetSIGINTn");

}

elseif(sign_no==SIGQUIT)

{

printf("IhavegetSIGQUITn");

}

}

intmain()

{

printf("WaitingforsignalSIGINTorSIGQUIT...n");

/*發(fā)出相應(yīng)的信號，并跳轉(zhuǎn)到信號處理函數(shù)處*/

signal(SIGINT,my_func);

signal(SIGQUIT,my_func);

pause();

exit(0);

}

運行結(jié)果如下所示。

$./signal

WaitingforsignalSIGINTorSIGQUIT...

IhavegetSIGINT（按ctrl-c組合鍵）

$./signal

WaitingforsignalSIGINTorSIGQUIT...

IhavegetSIGQUIT（按ctrl-組合鍵）

以下是用sigaction()函數(shù)實現(xiàn)同樣的功能，下面只列出更新的main()函數(shù)部分。

/*sigaction.c*/

/*前部分省略*/

intmain()

{

structsigactionaction;

printf("WaitingforsignalSIGINTorSIGQUIT...n");

/*sigaction結(jié)構(gòu)初始化*/

action.sa_handler=my_func;

sigemptyset(&action.sa_mask);

action.sa_flags=0;

/*發(fā)出相應(yīng)的信號，并跳轉(zhuǎn)到信號處理函數(shù)處*/

sigaction(SIGINT,&action,0);

sigaction(SIGQUIT,&action,0);

pause();

exit(0);

}

（1）函數(shù)說明。

使用信號集函數(shù)組處理信號時涉及一系列的函數(shù)，這些函數(shù)按照調(diào)用的先后次序可分為以下幾大功能模塊：創(chuàng)建信號集合、注冊信號處理函數(shù)以及檢測信號。

其中，創(chuàng)建信號集合主要用于處理用戶感興趣的一些信號，其函數(shù)包括以下幾個。

n sigemptyset()：將信號集合初始化為空。

n sigfillset()：將信號集合初始化為包含所有已定義的信號的集合。

n sigaddset()：將指定信號加入到信號集合中去。

n sigdelset()：將指定信號從信號集合中刪除。

n sigismember()：查詢指定信號是否在信號集合之中。

注冊信號處理函數(shù)主要用于決定進程如何處理信號。這里要注意的是，信號集里的信號并不是真正可以處理的信號，只有當信號的狀態(tài)處于非阻塞狀態(tài)時才會真正起作用。因此，首先使用sigprocmask()函數(shù)檢測并更改信號屏蔽字（信號屏蔽字是用來指定當前被阻塞的一組信號，它們不會被進程接收），然后使用sigaction()函數(shù)來定義進程接收到特定信號之后的行為。檢測信號是信號處理的后續(xù)步驟，因為被阻塞的信號不會傳遞給進程，所以這些信號就處于“未處理”狀態(tài)（也就是進程不清楚它的存在）。sigpending()函數(shù)允許進程檢測“未處理”信號，并進一步?jīng)Q定對它們作何處理。

（2）函數(shù)格式。

首先介紹創(chuàng)建信號集合的函數(shù)格式，表8.14列舉了這一組函數(shù)的語法要點。

表8.14 創(chuàng)建信號集合函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>

函數(shù)原型

intsigemptyset(sigset_t*set)

intsigfillset(sigset_t*set)

intsigaddset(sigset_t*set,intsignum)

intsigdelset(sigset_t*set,intsignum)

intsigismember(sigset_t*set,intsignum)

函數(shù)傳入值

set：信號集

signum：指定信號代碼

函數(shù)返回值

成功：0（sigismember成功返回1，失敗返回0）

出錯：-1

表8.15列舉了sigprocmask的語法要點。

表8.15 sigprocmask函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>

函數(shù)原型

intsigprocmask(inthow,constsigset_t*set,sigset_t*oset)

函數(shù)傳入值

how：決定函數(shù)的操作方式

SIG_BLOCK：增加一個信號集合到當前進程的阻塞集合之中

SIG_UNBLOCK：從當前的阻塞集合之中刪除一個信號集合

SIG_SETMASK：將當前的信號集合設(shè)置為信號阻塞集合

set：指定信號集

oset：信號屏蔽字

函數(shù)返回值

成功：0

出錯：-1

此處，若set是一個非空指針，則參數(shù)how表示函數(shù)的操作方式；若how為空，則表示忽略此操作。

最后，表8.16列舉了sigpending函數(shù)的語法要點。

表8.16 sigpending函數(shù)語法要點

所需頭文件

#include<signal.h>

函數(shù)原型

intsigpending(sigset_t*set)

函數(shù)傳入值

set：要檢測的信號集

函數(shù)返回值

成功：0

出錯：-1

總之，在處理信號時，一般遵循如圖8.7所示的操作流程。

圖8.7一般的信號操作處理流程

（3）使用實例。

該實例首先把SIGQUIT、SIGINT兩個信號加入信號集，然后將該信號集合設(shè)為阻塞狀態(tài)，并進入用戶輸入狀態(tài)。用戶只需按任意鍵，就可以立刻將信號集合設(shè)置為非阻塞狀態(tài)，再對這兩個信號分別操作，其中SIGQUIT執(zhí)行默認操作，而SIGINT執(zhí)行用戶自定義函數(shù)的操作。源代碼如下所示：

/*sigset.c*/

#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>

#include<signal.h>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

/*自定義的信號處理函數(shù)*/

voidmy_func(intsignum)

{

printf("Ifyouwanttoquit,pleasetrySIGQUITn");

}

intmain()

{

sigset_tset,pendset;

structsigactionaction1,action2;

/*初始化信號集為空*/

if(sigemptyset(&set)<0)

{

perror("sigemptyset");

exit(1);

}

/*將相應(yīng)的信號加入信號集*/

if(sigaddset(&set,SIGQUIT)<0)

{

perror("sigaddset");

exit(1);

}

if(sigaddset(&set,SIGINT)<0)

{

perror("sigaddset");

exit(1);

}

if(sigismember(&set,SIGINT))

{

sigemptyset(&action1.sa_mask);

action1.sa_handler=my_func;

action1.sa_flags=0;

sigaction(SIGINT,&action1,NULL);

}

if(sigismember(&set,SIGQUIT))

{

sigemptyset(&action2.sa_mask);

action2.sa_handler=SIG_DFL;

action2.sa_flags=0;

sigaction(SIGQUIT,&action2,NULL);

}

/*設(shè)置信號集屏蔽字，此時set中的信號不會被傳遞給進程，暫時進入待處理狀態(tài)*/

if(sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,NULL)<0)

{

perror("sigprocmask");

exit(1);

}

else

{

printf("Signalsetwasblocked,Pressanykey!");

getchar();

}

/*在信號屏蔽字中刪除set中的信號*/

if(sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,NULL)<0)

{

perror("sigprocmask");

exit(1);

}

else

{

printf("Signalsetisinunblockstaten");

}

while(1);

exit(0);

}

該程序的運行結(jié)果如下所示，可以看見，在信號處于阻塞狀態(tài)時，所發(fā)出的信號對進程不起作用，并且該信號進入待處理狀態(tài)。讀者輸入任意鍵，并且信號脫離了阻塞狀態(tài)之后，用戶發(fā)出的信號才能正常運行。這里SIGINT已按照用戶自定義的函數(shù)運行，請讀者注意阻塞狀態(tài)下SIGINT的處理和非阻塞狀態(tài)下SIGINT的處理有何不同。

$./sigset

Signalsetwasblocked,Pressanykey!/*此時按任何鍵可以解除阻塞屏蔽字*/

Ifyouwanttoquit,pleasetrySIGQUIT/*阻塞狀態(tài)下SIGINT的處理*/

Signalsetisinunblockstate/*從信號屏蔽字中刪除set中的信號*/

Ifyouwanttoquit,pleasetrySIGQUIT/*非阻塞狀態(tài)下SIGINT的處理*/

Ifyouwanttoquit,pleasetrySIGQUIT

Quit/*非阻塞狀態(tài)下SIGQUIT處理*/