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Linux 信号保存

article 2024/11/19 9:39:29

1. 信号的递达、阻塞和未决状态

在Linux系统中，信号的保存主要涉及到信号的递达、阻塞和未决状态。当信号产生时，进程不一定会立即处理它，而是可能在合适的时机进行处理。在信号递达之前，进程需要在内核中保存信号的状态，以便后续处理。

信号递达（Delivery）指的是实际执行信号的处理动作。
信号未决（Pending）是指信号从产生到递达之间的状态，在这段时间内，信号需要在内核中被保存。
信号阻塞（Block）是进程选择不立即处理某个信号的状态，阻塞的信号会保持在未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞。

Linux操作系统通过进程的内核数据结构来实现信号的保存。进程的PCB（Process Control Block）中包含了用于信号处理的三张表：

pending表：通过位图存储，每个比特位代表一个信号编号，比特位的内容表示信号是否已产生但尚未递达，1表示信号已产生，0表示信号未产生。
block表：同样通过位图存储，表示进程是否阻塞了特定的信号，1表示已阻塞信号，0表示未阻塞信号。
handler表：是一个函数指针数组，每个元素对应一个信号编号，存储了对应信号的处理函数。

当信号产生时，即使进程当前不处理信号，内核也会在pending表中标记该信号为未决状态，即pending表中的对应位会被设置为1。当进程从内核态返回用户态时，会检查pending表，并发送未决信号进行处理。如果信号被阻塞，则其在block表中的对应位会被设置为1，信号会保持在未决状态，直到阻塞被取消。

2. 信号集和信号操作函数

2.1 sigset_t

在Linux操作系统中，信号集是一个数据结构，用于表示一组信号。信号集通常由sigset_t类型的变量表示，它可以存储多个信号的状态，例如信号是否被阻塞或是否在未决状态，即该类型处理了block和 pending表。

在Linux中的源码如下：

typedef struct
{
  unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];//存储位图
} __sigset_t;//注意这前面有两个下划线


typedef __sigset_t sigset_t;//typedef后，前面没有下划线了

2.2 信号操作函数

信号集由一系列位字组成，每个位对应一个信号。通过对这些位进行设置（置1）或清除（置0），可以控制进程对特定信号的响应。

int sigemptyset(sigset_t *set)：将信号集中的所有比特位变为0，即清空信号集
int sigfillset(sigset_t *set)：将信号集中的所有比特位变为1，即将所有信号添加到信号集中
int sigaddset(sigset_t *set, int signum)：将信号集中的第 signum 个比特位变为1，即将signum 信号添加到信号集中
int sigdelset(sigset_t *set, int signum)：将信号集中的第 signum 个比特位变为0，从信号集中移除signum信号
int sigismember(const sigset_t *set, int signum)：检查特定信号是否存在于信号集中。

前四个函数的返回值都是：如果成功返回0，失败返回-1。

注意，我们通过这个函数操作的信号集，既不是block也不是pending，它目前只是一个进程中的变量而已。接下来要做的，就是把我们自己创建并设置的信号集，与block和pending交互。

2.3 信号集的应用

sigporcmask

sigprocmask 是用于管理进程信号block表的系统调用以及库函数。block表中的信号被进程主动阻塞，即在这段时间内，即使这些信号被触发，它们也不会立即被进程接收。

参数：

how 参数指定了如何修改block表：
- SIG_BLOCK：将set中为1的比特位添加到block表中，即将 set 中指定的信号集合添加到当前的block表中。
- SIG_UNBLOCK：将set中为1的比特位从block表中删除，即从当前block表中移除 set 中指定的信号集合。
- SIG_SETMASK：将block表设置为 set 信号集合。
set 参数是一个指向 sigset_t 类型的指针，用于指定新的block表。
oldset 参数是一个指向 sigset_t 类型的指针，如果不为空，则函数会将修改前的block表的副本存储在此处。

返回值：如果函数执行成功，它返回0；如果发生错误，则返回-1。

sigpending

sigpending 是用于检索当前进程中信号pending表的系统调用。pending表中的信号是在信号被触发时产生的，但由于进程当前的信号屏蔽字中对这些信号设置了屏蔽位，因此它们被阻塞，等待进程解除对这些信号的屏蔽后才能被递送。

参数：

set 是一个指向 sigset_t 类型的指针，用于存放进程当前pending表。

返回值：如果函数执行成功，它返回0；如果发生错误，则返回-1。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
    sigset_t set, oset;
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    sigaddset(&set, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
    while (1)
    {
        sigset_t pending_set;
        sigpending(&pending_set);
        for (int i = 31; i > 0; --i)
        {
            if (sigismember(&pending_set, i))
                cout << 1;
            else
                cout << 0;
        }
        cout << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

上述代码中，我们先定义了两个sigset_t 类型的变量 set 和 oset ，而后通过 sigaddset 函数把2号信号添加到信号集 set 中，随后通过 sigprocmask 函数将 set 添加到 block 表上，对2号信号进行阻塞，之后我们循环从 31 到 0 依次检测 pending 表中的信号，若我们按下 Ctrl + c 发送2号信号就会发生阻塞，pending 表上第二个 bit 位上就会一直为1。

sigaction

sigaction 是一个在类Unix操作系统中用于设置或查询信号处理函数的系统调用。它提供了比传统的 signal 函数更多的控制选项，并且是POSIX标准的一部分。通过 sigaction可以指定信号的处理函数、信号掩码（block表）以及信号处理的额外标志。

参数：

signum：要操作的信号编号。
act：指向 struct sigaction 结构的指针，包含了新的信号处理信息。
oldact：指向 struct sigaction 结构的指针，如果不为空，则保存旧的信号处理信息。

struct sigaction 结构体的源码如下：

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

void (*sa_handler)(int)：信号的处理函数指针，如果未设置 SA_SIGINFO 标志，则使用此函数。
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)：信号的处理函数指针，如果设置了 SA_SIGINFO 标志，则使用此函数，它可以接收更多关于信号的信息。
sigset_t sa_mask：信号掩码，在信号处理函数执行期间阻止的信号集，即 block 表。
int sa_flags：信号处理的标志，可以包含以下值的按位或组合：
- SA_RESTART：使被信号打断的系统调用自动重新发起。
- SA_NOCLDSTOP：使父进程在子进程停止时不会收到 SIGCHLD 信号。
- SA_NOCLDWAIT：使父进程在子进程终止时不会收到 SIGCHLD 信号，并且子进程不会变成僵尸进程。
- SA_NODEFER：使信号处理函数执行期间对该信号的屏蔽无效。
- SA_RESETHAND：信号处理后重置为默认处理方式。
- SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 作为信号处理函数。
void (*sa_restorer)(void)：已废弃，不应使用。

一般了解void (*sa_handler)(int)和sigset_t sa_mask即可。实际上可以把sigaction看成signal和sigprocmask的结合,其既可以自定义信号处理函数，还可以额外设置处理信号时的block表。

void PrintBlock()
{
    sigset_t tmp, block;
    sigemptyset(&tmp);
    sigemptyset(&block);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &tmp, &block);
    for (int i = 31; i > 0; --i)
    {
        if (sigismember(&block, i))
            cout << 1;
        else
            cout << 0;
    }
    cout << endl;
}
void handler(int sig)
{
    cout << "get signal: " << sig << endl;
    PrintBlock();
}
int main()
{
    cout<<"before set signal, block:" << endl;
    PrintBlock();
    cout<<"after set signal, block:" << endl;
    struct sigaction act, oact;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigemptyset(&oact.sa_mask);
    act.sa_handler = handler;
    for (int i = 1; i < 32; ++i)
    {
        sigaddset(&act.sa_mask, i);
    }
    sigaction(2, &act, &oact);
    raise(2);
    return 0;
}

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