Linux | 探索 Linux 信号机制:信号的产生和自定义捕捉
信号是 Linux 操作系统中非常重要的进程控制机制,用来异步通知进程发生某种事件。理解信号的产生、阻塞、递达、捕捉等概念,可以帮助开发者更好地编写健壮的应用程序,避免由于未处理的信号导致程序异常退出。本文将带你从基础概念开始,深入探讨信号处理的常见方式。
1. 信号的基本概念
在 Linux 系统中,信号是一种软中断机制,主要用于进程之间的异步通信。信号的产生和递达并不会按照进程的执行顺序发生,而是通过操作系统将某种事件(如用户输入、硬件异常等)通知进程。每个信号都有唯一的编号和宏定义名称。例如,SIGINT
(编号2)是一个常见的信号,通常由按下 Ctrl+C
产生。
信号的产生的四种方式:
- 终端输入产生信号:例如,当用户在终端中按下
Ctrl+C
时,系统会发送SIGINT
信号给当前前台进程,进而终止进程。- 系统调用产生信号:开发者可以通过调用
kill
函数向指定进程发送信号,例如kill -SIGKILL <PID>
。- 软件条件产生信号:某些软件事件会自动触发信号。例如,
SIGPIPE
信号在管道破裂时触发。- 硬件异常产生信号:例如,执行非法内存访问会触发
SIGSEGV
信号。
信号处理一般有三种方式:
- 忽略信号:进程忽略该信号。
- 执行默认动作:进程按照信号的默认处理方式处理,例如
SIGKILL
会导致进程直接退出。- 捕捉信号:进程通过自定义函数捕捉信号并进行处理。
2. 信号的自定义捕捉
Linux 提供了 signal
和 sigaction
系统调用,允许开发者自定义信号的处理函数,即捕捉信号。
a. 自定义捕捉终端产生的 SIGINT 2号信号:
#include <stdio.h>
#include <signal.h>void handler(int sig) {printf("Received signal: %d\n", sig);
}int main() {signal(SIGINT, handler); // 捕捉SIGINT信号while (1) {printf("Waiting for signal...\n");sleep(1);}return 0;
}
程序解释
handler
函数捕捉到 SIGINT
信号并打印信号编号。当用户在终端中按下 Ctrl+C
,进程不会立即终止,而是调用自定义的 handler
函数。
b. 自定义捕捉由软件条件产生的 SIGALRM 信号
SIGALRM
信号通常由 alarm()
函数产生,用于在设定的时间后通知进程。
alarm()
函数与 SIGALRM
信号
alarm()
函数的作用是设置一个闹钟,指定经过若干秒后系统向进程发送 SIGALRM
信号。此信号的默认处理行为是终止进程,但我们可以通过自定义信号处理函数来捕捉并处理 SIGALRM
信号。
alarm()
函数的定义如下:
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
- 参数
seconds
:指定在多少秒后发送SIGALRM
信号。如果参数为 0,则取消先前设置的闹钟。 - 返回值:返回先前设置的闹钟还剩余的时间。如果没有设置过闹钟,返回值为 0。例如,设定闹钟为 30 秒,闹钟执行了 20 秒后取消并重设为 15 秒,之前的闹钟还剩下 10 秒,这个时间会作为
alarm()
函数的返回值。
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 自定义的SIGALRM信号处理函数
void handle_alarm(int sig) {printf("Alarm signal received: %d. Time's up!\n", sig);
}int main() {// 注册SIGALRM信号的处理函数signal(SIGALRM, handle_alarm);// 设置闹钟为1秒alarm(1);// 计数器,在闹钟响起之前一直计数int count = 0;while (1) {printf("Counting: %d\n", count++);sleep(1); // 每秒计数一次}return 0;
}
程序解释
-
信号处理函数
handle_alarm
:
当SIGALRM
信号产生时,操作系统会调用此函数。此函数接收信号编号作为参数,并打印出提示信息。 -
设置闹钟:
程序通过调用alarm(1)
设置了一个 1 秒的闹钟。即 1 秒后,系统会发送SIGALRM
信号,触发信号处理函数handle_alarm
。 -
计数器:
程序进入一个无限循环,每秒钟打印一次计数。在 1 秒内,计数器会输出几次,直到接收到SIGALRM
信号并终止循环。
运行该程序时,输出:
Counting: 0
Alarm signal received: 14. Time's up!
程序开始计数,并且在 1 秒后接收到 SIGALRM
信号,调用信号处理函数,输出“Alarm signal received”信息,随后程序被信号终止。
拓展
-
重新设置闹钟:如果在
SIGALRM
之前再次调用alarm()
,会取消之前的闹钟并重新设置。例如,假如alarm(5)
在alarm(1)
之后被调用,系统将在 5 秒而非 1 秒后发送SIGALRM
信号。 -
取消闹钟:
alarm(0)
可以取消先前设置的闹钟,程序将不会再收到SIGALRM
信号。
3. 信号阻塞与未决信号
信号的三种状态:阻塞、未决和递达
阻塞(Block):
阻塞是指进程可以暂时不处理某些信号。当信号被阻塞时,即使信号产生了,也不会立即处理。信号会保持在阻塞状态,直到解除阻塞。
未决(Pending):
未决是指信号已经产生,但由于被阻塞,无法递达。信号会处于未决状态,等待解除阻塞。当信号解除阻塞后,未决信号会递达给进程。
递达(Delivery):
递达是指信号从产生到被进程处理的过程。当信号未被阻塞或解除阻塞后,信号会递达给进程,触发默认处理动作或自定义的信号处理函数。
进程可以选择阻塞(Block)某个信号。被阻塞的信号在产生时会处于未决状态,直到进程解除对该信号的阻塞后,才会执行相关的处理动作。
注意:阻塞和忽略是不同的概念。阻塞信号意味着信号不会被递达,直到解除阻塞。而忽略则是在信号递达后选择不进行处理的一种方式。
C语言中的信号相关函数
sigset_t
是一个用于表示信号集的数据类型,每个信号用一个位来表示它的状态。这个类型可以用来存储和操作进程的信号屏蔽字(阻塞信号集),以及未决信号集。
-
sigemptyset(sigset_t *set)
: 初始化一个信号集,将其中的所有信号位清零,即该信号集不包含任何信号。 -
sigfillset(sigset_t *set)
: 初始化一个信号集,将其中的所有信号位设置为1,即该信号集包含所有信号。 -
sigaddset(sigset_t *set, int signo)
: 在信号集中添加一个信号,使其对应的位被设置为1。signo
是要添加的信号的编号。 -
sigdelset(sigset_t *set, int signo)
: 从信号集中删除一个信号,使其对应的位被设置为0。signo
是要删除的信号的编号。 -
sigismember(const sigset_t *set, int signo)
: 检查信号集中的某个信号是否被设置为1。返回值为非零表示信号被设置(即有效),为0表示信号未被设置(即无效)。 -
sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset)
: 读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。 -
sigpending(sigset_t *set)
: 读取当前进程的未决信号集。
使用 sigprocmask
添加block阻塞集
在某些场景下,进程可能不希望立即处理某个信号,这时可以选择阻塞该信号。当信号被阻塞时,信号会进入未决状态,直到解除阻塞后才会递达。可以使用 sigprocmask
函数来设置信号的阻塞状态。
#include <stdio.h>
#include <signal.h>int main() {sigset_t set;sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGINT); // 阻塞SIGINT信号sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);printf("SIGINT is blocked, press Ctrl+C...\n");sleep(10); // 期间按下Ctrl+C不会终止程序return 0;
}
SIGINT
信号被阻塞,按下 Ctrl+C
时,进程不会立刻退出,而是被阻塞,不能被递达,需要等到信号被解除阻塞后才能处理信号。
如果将所有信号都使用sigprocmask函数添加到block阻塞位图当中,是不是就能产生一个无法被退出的无敌进程?
答:SIGKILL (9号信号)和 SIGSTOP(19号信号)是特殊的,无法被阻塞、忽略或捕获。我们依然可以通过这些信号杀死进程,所以这样操作并不能使进程成为“无敌”的进程。(操作系统设计者早就想到了~~)
4. 常见信号的递达过程和处理方式
信号的递达过程
-
信号抵达的检查: 当系统从内核态返回用户态时,会首先检查当前进程的未决信号(pending signals)。这时,系统处于内核态,有权限检查进程的信号状态。
-
处理未决信号:
- 如果发现有未决信号,并且该信号没有被阻塞,系统会决定如何处理这些信号。
- 对于默认处理动作或忽略的信号,系统会执行默认动作或忽略信号,然后清除对应的未决标志位。
-
指定信号动作:
- 如果信号的处理动作是用户自定义的,系统会返回用户态,执行用户定义的处理函数。执行完自定义处理函数后,用户态的处理程序会通过
sigreturn
系统调用返回内核态,清除对应的未决标志位。如果没有新的信号要处理,系统会直接返回用户态,从主控制流程中上次被中断的地方继续执行。
- 如果信号的处理动作是用户自定义的,系统会返回用户态,执行用户定义的处理函数。执行完自定义处理函数后,用户态的处理程序会通过
-
为什么执行自定义函数是需要由内核态切换到内核态:
- 尽管内核态具有高权限,但操作系统设计中不允许直接在内核态执行用户代码。原因是用户代码可能包含非法操作,如清空数据库等,这在用户态时权限不足,但在内核态时可能会造成严重后果。
- 操作系统必须确保用户代码的合法性,以防止安全风险。因此,操作系统会严格控制用户代码的执行,确保系统安全和稳定。
信号的处理方式
信号编号 | 宏定义名称 | 默认动作 | 说明 |
---|---|---|---|
1 | SIGHUP | 终止进程 | 终端挂起时发送此信号 |
2 | SIGINT | 终止进程 | 用户按下 Ctrl+C |
9 | SIGKILL | 终止进程(不可捕捉) | 直接终止进程 |
11 | SIGSEGV | 终止进程并生成 core | 段错误,非法内存访问 |
15 | SIGTERM | 终止进程 | 请求进程终止 |
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