posts - 200, comments - 8, trackbacks - 0, articles - 0

转自http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html,作者:郑彦兴

一、信号生命周期

从信号发送到信号处理函数的执行完毕

对于一个完整的信号生命周期(从信号发送到相应的处理函数执行完毕)来说,可以分为三个重要的阶段,这三个阶段由四个重要事件来刻画:信号诞生;信号在进程中注册完毕;信号在进程中的注销完毕;信号处理函数执行完毕。相邻两个事件的时间间隔构成信号生命周期的一个阶段。


 

下面阐述四个事件的实际意义:

  1. 信号"诞生"。信号的诞生指的是触发信号的事件发生(如检测到硬件异常、定时器超时以及调用信号发送函数kill()或sigqueue()等)。
  2. 信号在目标进程中"注册";进程的task_struct结构中有关于本进程中未决信号的数据成员:
    1. struct sigpending pending: struct sigpending{ struct sigqueue *head, **tail; sigset_t signal; };

    第三个成员是进程中所有未决信号集,第一、第二个成员分别指向一个sigqueue类型的结构链(称之为"未决信号信息链")的首尾,信息链中的每个sigqueue结构刻画一个特定信号所携带的信息,并指向下一个sigqueue结构:
    1. struct sigqueue{
    2.     struct sigqueue *next;
    3.     siginfo_t info;
    4. }
    信号在进程中注册指的就是信号值加入到进程的未决信号集中(sigpending结构的第二个成员sigset_t signal),并且信号所携带的信息被保留到未决信号信息链的某个sigqueue结构中。 只要信号在进程的未决信号集中,表明进程已经知道这些信号的存在,但还没来得及处理,或者该信号被进程阻塞。

    注: 
    当一个实时信号发送给一个进程时,不管该信号是否已经在进程中注册,都会被再注册一次,因此,信号不会丢失,因此,实时信号又叫做"可靠信号"。这意味着 同一个实时信号可以在同一个进程的未决信号信息链中占有多个sigqueue结构(进程每收到一个实时信号,都会为它分配一个结构来登记该信号信息,并把 该结构添加在未决信号链尾,即所有诞生的实时信号都会在目标进程中注册); 
    当一个非实时信号发送给一个进程时,如果该信号已经在进程中注册,则该信号将被丢弃,造成信号丢失。因此,非实时信号又叫做"不可靠信号"。这意味着同一 个非实时信号在进程的未决信号信息链中,至多占有一个sigqueue结构(一个非实时信号诞生后,(1)、如果发现相同的信号已经在目标结构中注册,则 不再注册,对于进程来说,相当于不知道本次信号发生,信号丢失;(2)、如果进程的未决信号中没有相同信号,则在进程中注册自己)。

  3. 信号在进程中的注销。在目标进程执行过程中,会检测是否有信号等待处理(每次从系统空间返回到用户空间时都做这样的检查)。如果 存在未决信号等待处理且该信号没有被进程阻塞,则在运行相应的信号处理函数前,进程会把信号在未决信号链中占有的结构卸掉。是否将信号从进程未决信号集中 删除对于实时与非实时信号是不同的。对于非实时信号来说,由于在未决信号信息链中最多只占用一个sigqueue结构,因此该结构被释放后,应该把信号在 进程未决信号集中删除(信号注销完毕);而对于实时信号来说,可能在未决信号信息链中占用多个sigqueue结构,因此应该针对占用sigqueue结 构的数目区别对待:如果只占用一个sigqueue结构(进程只收到该信号一次),则应该把信号在进程的未决信号集中删除(信号注销完毕)。否则,不应该 在进程的未决信号集中删除该信号(信号注销完毕)。 
    进程在执行信号相应处理函数之前,首先要把信号在进程中注销。
  4. 信号生命终止。进程注销信号后,立即执行相应的信号处理函数,执行完毕后,信号的本次发送对进程的影响彻底结束。

    注: 
    1)信号注册与否,与发送信号的函数(如kill()或sigqueue()等)以及信号安装函数(signal()及 sigaction())无关,只与信号值有关(信号值小于SIGRTMIN的信号最多只注册一次,信号值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之间的信 号,只要被进程接收到就被注册)。 
    2)在信号被注销到相应的信号处理函数执行完毕这段时间内,如果进程又收到同一信号多次,则对实时信号来说,每一次都会在进程中注册;而对于非实时信号来说,无论收到多少次信号,都会视为只收到一个信号,只在进程中注册一次。


二、信号编程注意事项

  1. 防止不该丢失的信号丢失。如果对八中所提到的信号生命周期理解深刻的话,很容易知道信号会不会丢失,以及在哪里丢失。
  2. 程序的可移植性 
    考虑到程序的可移植性,应该尽量采用POSIX信号函数,POSIX信号函数主要分为两类:
    • POSIX 1003.1信号函数: Kill()、sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、sigismember()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()。
    • POSIX 1003.1b信号函数。POSIX 1003.1b在信号的实时性方面对POSIX 1003.1做了扩展,包括以下三个函数: sigqueue()、sigtimedwait()、sigwaitinfo()。 其中,sigqueue主要针对信号发送,而sigtimedwait及sigwaitinfo()主要用于取代sigsuspend()函数,后面有相应实例。
      #include <signal.h> int sigwaitinfo(sigset_t *set, siginfo_t *info).

      该函数与sigsuspend()类似,阻塞一个进程直到特定信号发生,但信号到来时不执行信号处理函数,而是返回信号值。因此为了避免执行相应的信号处理函数,必须在调用该函数前,使进程屏蔽掉set指向的信号,因此调用该函数的典型代码是:
      sigset_t newmask; int rcvd_sig; siginfo_t info; sigemptyset(&newmask); sigaddset(&newmask, SIGRTMIN); sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL); rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info) if (rcvd_sig == -1) { .. }

      调用成功返回信号值,否则返回-1。sigtimedwait()功能相似,只不过增加了一个进程等待的时间。
  3. 程序的稳定性。 
    为了增强程序的稳定性,在信号处理函数中应使用可重入函数。

    信号处理程序中应当使用可再入(可重入)函数(注:所谓可重入函数是指一个可以被多个任务调用的过程,任务在调用时不必担心数 据是否会出错)。因为进程在收到信号后,就将跳转到信号处理函数去接着执行。如果信号处理函数中使用了不可重入函数,那么信号处理函数可能会修改原来进程 中不应该被修改的数据,这样进程从信号处理函数中返回接着执行时,可能会出现不可预料的后果。不可再入函数在信号处理函数中被视为不安全函数。

    满足下列条件的函数多数是不可再入的:(1)使用静态的数据结构,如 getlogin(),gmtime(),getgrgid(),getgrnam(),getpwuid()以及getpwnam()等等;(2)函数 实现时,调用了malloc()或者free()函数;(3)实现时使用了标准I/O函数的。The Open Group视下列函数为可再入的:

    _exit()、access()、alarm()、cfgetispeed()、cfgetospeed()、 cfsetispeed()、cfsetospeed()、chdir()、chmod()、chown() 、close()、creat()、dup()、dup2()、execle()、execve()、fcntl()、fork()、 fpathconf()、fstat()、fsync()、getegid()、 geteuid()、getgid()、getgroups()、getpgrp()、getpid()、getppid()、getuid()、 kill()、link()、lseek()、mkdir()、mkfifo()、 open()、pathconf()、pause()、pipe()、raise()、read()、rename()、rmdir()、 setgid()、setpgid()、setsid()、setuid()、 sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、 sigismember()、signal()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()、sleep()、 stat()、sysconf()、tcdrain()、tcflow()、tcflush()、tcgetattr()、tcgetpgrp()、 tcsendbreak()、tcsetattr()、tcsetpgrp()、time()、times()、 umask()、uname()、unlink()、utime()、wait()、waitpid()、write()。

    即使信号处理函数使用的都是"安全函数",同样要注意进入处理函数时,首先要保存errno的值,结束时,再恢复原值。因为, 信号处理过程中,errno值随时可能被改变。另外,longjmp()以及siglongjmp()没有被列为可再入函数,因为不能保证紧接着两个函数 的其它调用是安全的。


三、深入浅出:信号应用实例

linux下的信号应用并没有想象的那么恐怖,程序员所要做的最多只有三件事情:

  1. 安装信号(推荐使用sigaction());
  2. 实现三参数信号处理函数,handler(int signal,struct siginfo *info, void *);
  3. 发送信号,推荐使用sigqueue()。

实际上,对有些信号来说,只要安装信号就足够了(信号处理方式采用缺省或忽略)。其他可能要做的无非是与信号集相关的几种操作。

实例一:信号发送及处理 
实现一个信号接收程序sigreceive(其中信号安装由sigaction())。

  1. #include <signal.h>
  2. #include <sys/types.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. void new_op(int,siginfo_t*,void*);
  5. int main(int argc,char**argv)
  6. {
  7.     struct sigaction act;    
  8.     int sig;
  9.     sig=atoi(argv[1]);
  10.     
  11.     sigemptyset(&act.sa_mask);
  12.     act.sa_flags=SA_SIGINFO;
  13.     act.sa_sigaction=new_op;
  14.     
  15.     if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
  16.     {
  17.         printf("install sigal error\n");
  18.     }
  19.     
  20.     while(1)
  21.     {
  22.         sleep(2);
  23.         printf("wait for the signal\n");
  24.     }
  25. }
  26. void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
  27. {
  28.     printf("receive signal %d", signum);
  29.     sleep(5);
  30. }

说明,命令行参数为信号值,后台运行sigreceive signo &,可获得该进程的ID,假设为pid,然后再另一终端上运行kill -s signo pid验证信号的发送接收及处理。同时,可验证信号的排队问题。 
注:可以用sigqueue实现一个命令行信号发送程序sigqueuesend,见 附录1

实例二:信号传递附加信息 
主要包括两个实例:

  1. 向进程本身发送信号,并传递指针参数;
    1. #include <signal.h>
    2. #include <sys/types.h>
    3. #include <unistd.h>
    4. void new_op(int,siginfo_t*,void*);
    5. int main(int argc,char**argv)
    6. {
    7.     struct sigaction act;    
    8.     union sigval mysigval;
    9.     int i;
    10.     int sig;
    11.     pid_t pid;        
    12.     char data[10];
    13.     memset(data,0,sizeof(data));
    14.     for(i=0;< 5;i++)
    15.         data[i]='2';
    16.     mysigval.sival_ptr=data;
    17.     
    18.     sig=atoi(argv[1]);
    19.     pid=getpid();
    20.     
    21.     sigemptyset(&act.sa_mask);
    22.     act.sa_sigaction=new_op;//三参数信号处理函数
    23.     act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息传递开关
    24.     if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)
    25.     {
    26.         printf("install sigal error\n");
    27.     }
    28.     while(1)
    29.     {
    30.         sleep(2);
    31.         printf("wait for the signal\n");
    32.         sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本进程发送信号,并传递附加信息
    33.     }
    34. }
    35. void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三参数信号处理函数的实现
    36. {
    37.     int i;
    38.     for(i=0;i<10;i++)
    39.     {
    40.         printf("%c\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i)));
    41.     }
    42.     printf("handle signal %d over;",signum);
    43. }

    这个例子中,信号实现了附加信息的传递,信号究竟如何对这些信息进行处理则取决于具体的应用。

  2. 2、 不同进程间传递整型参数:把1中的信号发送和接收放在两个程序中,并且在发送过程中传递整型参数。 
    信号接收程序:
    1. #include <signal.h>
    2. #include <sys/types.h>
    3. #include <unistd.h>
    4. void new_op(int,siginfo_t*,void*);
    5. int main(int argc,char**argv)
    6. {
    7.     struct sigaction act;
    8.     int sig;
    9.     pid_t pid;        
    10.     
    11.     pid=getpid();
    12.     sig=atoi(argv[1]);    
    13.     
    14.     sigemptyset(&act.sa_mask);
    15.     act.sa_sigaction=new_op;
    16.     act.sa_flags=SA_SIGINFO;
    17.     if(sigaction(sig,&act,NULL)<0)
    18.     {
    19.         printf("install sigal error\n");
    20.     }
    21.     while(1)
    22.     {
    23.         sleep(2);
    24.         printf("wait for the signal\n");
    25.     }
    26. }
    27. void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)
    28. {
    29.     printf("the int value is %d \n",info->si_int);
    30. }

    信号发送程序:命令行第二个参数为信号值,第三个参数为接收进程ID。

    1. #include <signal.h>
    2. #include <sys/time.h>
    3. #include <unistd.h>
    4. #include <sys/types.h>
    5. main(int argc,char**argv)
    6. {
    7.     pid_t pid;
    8.     int signum;
    9.     union sigval mysigval;
    10.     signum=atoi(argv[1]);
    11.     pid=(pid_t)atoi(argv[2]);
    12.     mysigval.sival_int=8;//不代表具体含义,只用于说明问题
    13.     if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1)
    14.         printf("send error\n");
    15.     sleep(2);
    16. }

    注:实例2的两个例子侧重点在于用信号来传递信息,目前关于在linux下通过信号传递信息 的实例非常少,倒是Unix下有一些,但传递的基本上都是关于传递一个整数,传递指针的我还没看到。我一直没有实现不同进程间的指针传递(实际上更有意 义),也许在实现方法上存在问题吧,请实现者email我。

实例三:信号阻塞及信号集操作

  1. #include "signal.h"
  2. #include "unistd.h"
  3. static void my_op(int);
  4. main()
  5. {
  6.     sigset_t new_mask,old_mask,pending_mask;
  7.     struct sigaction act;
  8.     sigemptyset(&act.sa_mask);
  9.     act.sa_flags=SA_SIGINFO;
  10.     act.sa_sigaction=(void*)my_op;
  11.     if(sigaction(SIGRTMIN+10,&act,NULL))
  12.         printf("install signal SIGRTMIN+10 error\n");
  13.     sigemptyset(&new_mask);
  14.     sigaddset(&new_mask,SIGRTMIN+10);
  15.     if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask,&old_mask))
  16.         printf("block signal SIGRTMIN+10 error\n");
  17.     sleep(10);    
  18.     printf("now begin to get pending mask and unblock SIGRTMIN+10\n");
  19.     if(sigpending(&pending_mask)<0)
  20.         printf("get pending mask error\n");
  21.     if(sigismember(&pending_mask,SIGRTMIN+10))
  22.         printf("signal SIGRTMIN+10 is pending\n");
  23.     if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&old_mask,NULL)<0)
  24.         printf("unblock signal error\n");
  25.     printf("signal unblocked\n");
  26.     sleep(10);
  27. }
  28. static void my_op(int signum)
  29. {
  30.     printf("receive signal %d \n",signum);
  31. }

编译该程序,并以后台方式运行。在另一终端向该进程发送信号(运行kill -s 42 pid,SIGRTMIN+10为42),查看结果可以看出几个关键函数的运行机制,信号集相关操作比较简单。

注:在上面几个实例中,使用了printf()函数,只是作为诊断工具,pringf()函数是不可重入的,不应在信号处理函数中使用。


结束语:

系统地对linux信号机制进行分析、总结使我受益匪浅!感谢王小乐等网友的支持! 
Comments and suggestions are greatly welcome!


附录1:

用sigqueue实现的命令行信号发送程序sigqueuesend,命令行第二个参数是发送的信号值,第三个参数是接收该信号的进程ID,可以配合实例一使用:

  1. #include <signal.h>
  2. #include <sys/types.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. int main(int argc,char**argv)
  5. {
  6.     pid_t pid;
  7.     int sig;
  8.     sig=atoi(argv[1]);
  9.     pid=atoi(argv[2]);
  10.     sigqueue(pid,sig,NULL);
  11.     sleep(2);
  12. }


参考资料


只有注册用户登录后才能发表评论。
网站导航: 博客园   IT新闻   BlogJava   知识库   博问   管理