Linux signal机制

云实验室案例-Linux signal机制

本文档涉及案例包括：

•        Linux信号机制核Pthread多线程基本介绍

•        Linux信号的简单操作和实验

相关知识：

想要了解应用程序如何响应用户键盘中断并实现安全退出，首先就需要了解Linux中的信号（signal）机制，知道信号如何产生并执行对应的处理行为。这些知识的简单介绍如下。

Linux 信号机制

信号在Linux中属于一种采用异步通信方式的软中断，这种机制是进程之间通信的一种方式。

可靠信号和不可靠信号

信号大体上分为可靠信号和不可靠信号两种；其中不可靠信号也被叫做非实时信号，它不支持排队，信号可能丢失，如果发送多次信号，进程只会收到一次；可靠信号也被叫做实时信号，它支持排队，信号不会丢失，多少次发送对应多少次接收。

Linux中一共定义了64种信号量，其中前32种为不可靠信号，后32种为可靠信号。

对于绝大多数信号而言，默认的处理都是终止或停止进程、dump内核映像转储。这里简单罗列了所有不可靠信号，如下表所示：

常用的信号及其处理方式

1. 2号信号SIGINT，触发条件为“CTRL+C”，该信号会终止当前进程
2. 3号信号SIGQUIT，触发条件为“CTRL+|”，该信号会终止当前进程
3. 20号信号SIGINT，触发条件为“CTRL+Z”，该信号会使当前进程进入暂停状态

信号的产生

信号从产生来源的方式上，可以被分为软件和硬件两种方式。

硬件方式有两种，一种最常见的就是用户的输入，通过在终端中按下组合键“CTRL+C”，产生SIGINT信号，这也是本文将要使用的中断方式；另一种是由硬件异常产生，CPU在检测到内存的非法访问等异常后，通知Linux内核并产生相应的信号，进而传递给对应事件的进程。

软件方式一般是通过系统调用产生，常见的函数包括kill(), raise(), sigqueue(), alarm()等。

信号的注册注销

需要特别注意的是，信号的“注销”与用户直观的理解可能不同，它并非是为当前进程“注册”该信号，使得该信号可以被响应。相反，“一个进程收到了一个信号”，这种行为被称为信号的注册。与之类似，当程序处理了信号后，就会将该信号注销。

进程中会有一个unsigned long类型的信号注册位图，用于记录当前需要处理的信号，其中共64个bit位，分别用于记录64个信号的情况，1代表该信号被注册，需要处理；0意味着该信号已被注销。例如，数组的第三个bit位为1，则意味着3号信号被注册。

信号相关函数

1）信号集操作函数

sigemptyset(sigset_t *set)：信号集全部清0；

sigfillset(sigset_t *set)： 信号集全部置1，则信号集包含linux支持的64种信号；

sigaddset(sigset_t *set, int signum)：向信号集中加入signum信号；

sigdelset(sigset_t *set, int signum)：向信号集中删除signum信号；

sigismember(const sigset_t *set, int signum)：判定信号signum是否存在信号集中。

2）信号阻塞函数

sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset))；

不同how参数，实现不同功能：

SIG_BLOCK：将set指向信号集中的信号，添加到进程阻塞信号集；

SIG_UNBLOCK：将set指向信号集中的信号，从进程阻塞信号集删除；

SIG_SETMASK：将set指向信号集中的信号，设置成进程阻塞信号集；

sigpending(sigset_t *set))：获取已发送到进程，却被阻塞的所有信号；

sigsuspend(const sigset_t *mask))：用mask代替进程的原有掩码，并暂停进程执行，直到收到信号再恢复原有掩码并继续执行进程。

信号安装

在实际的使用过程中，用户也可以选择重写信号的处理函数，这种行为被叫做信号安装。

常见的信号安装函数

signal()：不支持信号传递信息，主要用于非实时信号安装；

sigaction():支持信号传递信息，可用于所有信号安装；

signal函数原型为：

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

signum:信号值

handler:更改为哪一个函数处理，接受一个函数地址，函数指针（回调函数）。

typedef void (*sighandler_t)(int);

sigaction函数原型为：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

signum：要操作的signal信号。

act：设置对signal信号的新处理方式。

oldact：原来对信号的处理方式。

执行步骤：

1        预定板子

2        案例执行

2.1       键盘中断退出函数的简单实验

我们首先创建一个简单的测试程序，在打印“hello world”后，陷入while循环：

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
 /* * 
 * Copyright 2024 NXP
 */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
    printf("main task finished!\n\r");
    while(1);
    return 0;
}

将该文件命名为hello_world.c后，使用gcc命令编译并执行

可以看到，终端此时被hello_world程序占用。输入组合键“CTRL+C”，程序退出，终端可以继续输入命令。

2.2       Kill命令发送信号

在Linux中，如果你想要让一个命令在后台执行，可以在命令的末尾添加一个&符号。这样，命令将在后台执行，而你可以继续在终端中执行其他命令。此时，在终端中输入“CTRL+C”等命令将不再能够强制退出应用程序。

首先现在后台运行hello_world测试程序，并在终端中输入“ps”命令可以查看当前状态下后台运行的进程：

用户可以借助kill命令，通过kill -l查看所有支持的信号量，列出的信号量和上文描述的64个信号量相对应。

用户可以借助ps命令得到的PID号，直接kill杀死进程。如hello_world程序的PID为858，kill命令后hello_world程序终止：

 也可以给进程发送特定信号，命令格式为

kill -[num] [pid] 

num为数字信号，如20；pid为进程的pid号，经由ps命令得到。这里给hello_world发送一个20号信号：

可以看到，程序接收到了SIGTSTP信号，进程停止。此时使用ps命令查看进程，可以发现该进程只是停止，并没有被终止，后续可以通过18号信号使其继续运行：

2.3       kill()函数和raise()函数

除了在终端种使用kill命令或者组合键“CTRL+C”等，给线程发送命令，用户也可以在程序中通过调用命令，如kill()和raise()等，去给当前进程发送信号。

1）kill函数

kill函数的原型为：

int kill(pid_t pid, int sig);

pid_t:要给哪个进程发，就填哪个进程的pid

sig：要给进程发送的信号

比如我们可以在上面的程序中，添加代码如下

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
 /* * 
 * Copyright 2024 NXP
 */
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
        kill(getpid(), 3);
        printf("main task finished!\n\r");
        while(1);
        return 0;
}

可以发现程序刚刚运行，就收到了SIGQUIT信号，进程直接终止了

2）raise函数

raise函数的作用是给当前进程发送一个信号，其函数原型为

int raise(int sig);

sig: 给当前进程发送的信号值

比如我们可以给当前进程发送一个6号信号，如下所示：

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
 /* * 
 * Copyright 2024 NXP
 */
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
        raise(6);
        printf("main task finished!\n\r");
        while(1);
        return 0;
}

同样可以发现，程序刚刚进入就退出了，log中的sig=6表明收到了6号信号。

2.4       自定义信号的处理函数

以signal函数为例，在调用signal函数的时候，我们给函数的第二个参数传递一个回调函数的地址，当我们收到第一个参数所定义的信号值时，就会调用回调函数，执行回调函数的功能。

signal函数原型为：

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

signum:信号值

handler:更改为哪一个函数处理，接受一个函数地址，函数指针（回调函数）。

typedef void (*sighandler_t)(int);

这里针对2号和9号信号进行测试，程序如下

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
 /* * 
 * Copyright 2024 NXP
 */
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
 
void callback(int sig)
{
   printf("receive the signal %d\n\r", sig);
}
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
   signal(2, callback);
   signal(9, callback);
   printf("main task finished!\n\r");
   while(1);
   return 0;
}

执行并通过kill命令向进程发送信号2（CTRL+C）和信号9（CTRL+Z），得到结果如下：

可以发现，2号信号可以接收到，并执行自定义的处理函数打印log；但9号信号并不会执行回调函数，而是直接将进程强杀了，其原因是9号信号是无法被用户更改处理方式的。