Linux环境进程间通信(二): 信号--转载
信号本质 信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟,在原理上,一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的,一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达,事实上,进程也不知道信号到底什么时候到达。 信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制,可以看作是异步通知,通知接收信号的进程有哪些事情发生了。信号机制经过POSIX实时扩展后,功能更加强大,除了基本通知功能外,还可以传递附加信息。 信号来源 信号事件的发生有两个来源:硬件来源(比如我们按下了键盘或者其它硬件故障);软件来源,最常用发送信号的系统函数是kill,raise,alarm和setitimer以及sigqueue函数,软件来源还包括一些非法运算等操作。
可以从两个不同的分类角度对信号进行分类:(1)可靠性方面:可靠信号与不可靠信号;(2)与时间的关系上:实时信号与非实时信号。在《Linux环境进程间通信(一):管道及有名管道》的附1中列出了系统所支持的所有信号。
"不可靠信号" Linux信号机制基本上是从Unix系统中继承过来的。早期Unix系统中的信号机制比较简单和原始,后来在实践中暴露出一些问题,因此,把那些建立在早期机制上的信号叫做"不可靠信号",信号值小于SIGRTMIN(Red hat 7.2中,SIGRTMIN=32,SIGRTMAX=63)的信号都是不可靠信号。这就是"不可靠信号"的来源。它的主要问题是:
Linux支持不可靠信号,但是对不可靠信号机制做了改进:在调用完信号处理函数后,不必重新调用该信号的安装函数(信号安装函数是在可靠机制上的实现)。因此,Linux下的不可靠信号问题主要指的是信号可能丢失。 "可靠信号" 随着时间的发展,实践证明了有必要对信号的原始机制加以改进和扩充。所以,后来出现的各种Unix版本分别在这方面进行了研究,力图实现"可靠信号"。由于原来定义的信号已有许多应用,不好再做改动,最终只好又新增加了一些信号,并在一开始就把它们定义为可靠信号,这些信号支持排队,不会丢失。同时,信号的发送和安装也出现了新版本:信号发送函数sigqueue()及信号安装函数sigaction()。POSIX.4对可靠信号机制做了标准化。但是,POSIX只对可靠信号机制应具有的功能以及信号机制的对外接口做了标准化,对信号机制的实现没有作具体的规定。 信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号,可靠信号克服了信号可能丢失的问题。Linux在支持新版本的信号安装函数sigation()以及信号发送函数sigqueue()的同时,仍然支持早期的signal()信号安装函数,支持信号发送函数kill()。 注:不要有这样的误解:由sigqueue()发送、sigaction安装的信号就是可靠的。事实上,可靠信号是指后来添加的新信号(信号值位于SIGRTMIN及SIGRTMAX之间);不可靠信号是信号值小于SIGRTMIN的信号。信号的可靠与不可靠只与信号值有关,与信号的发送及安装函数无关。目前linux中的signal()是通过sigation()函数实现的,因此,即使通过signal()安装的信号,在信号处理函数的结尾也不必再调用一次信号安装函数。同时,由signal()安装的实时信号支持排队,同样不会丢失。 对于目前linux的两个信号安装函数:signal()及sigaction()来说,它们都不能把SIGRTMIN以前的信号变成可靠信号(都不支持排队,仍有可能丢失,仍然是不可靠信号),而且对SIGRTMIN以后的信号都支持排队。这两个函数的最大区别在于,经过sigaction安装的信号都能传递信息给信号处理函数(对所有信号这一点都成立),而经过signal安装的信号却不能向信号处理函数传递信息。对于信号发送函数来说也是一样的。
早期Unix系统只定义了32种信号,Ret hat7.2支持64种信号,编号0-63(SIGRTMIN=31,SIGRTMAX=63),将来可能进一步增加,这需要得到内核的支持。前32种信号已经有了预定义值,每个信号有了确定的用途及含义,并且每种信号都有各自的缺省动作。如按键盘的CTRL ^C时,会产生SIGINT信号,对该信号的默认反应就是进程终止。后32个信号表示实时信号,等同于前面阐述的可靠信号。这保证了发送的多个实时信号都被接收。实时信号是POSIX标准的一部分,可用于应用进程。 非实时信号都不支持排队,都是不可靠信号;实时信号都支持排队,都是可靠信号。
进程可以通过三种方式来响应一个信号:(1)忽略信号,即对信号不做任何处理,其中,有两个信号不能忽略:SIGKILL及SIGSTOP;(2)捕捉信号。定义信号处理函数,当信号发生时,执行相应的处理函数;(3)执行缺省操作,Linux对每种信号都规定了默认操作,详细情况请参考[2]以及其它资料。注意,进程对实时信号的缺省反应是进程终止。 Linux究竟采用上述三种方式的哪一个来响应信号,取决于传递给相应API函数的参数。
发送信号的主要函数有:kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()。 1、kill()?#include Kill()最常用于pid>0时的信号发送,调用成功返回 0; 否则,返回 -1。 注:对于pid<0时的情况,对于哪些进程将接受信号,各种版本说法不一,其实很简单,参阅内核源码kernal/signal.c即可,上表中的规则是参考red hat 7.2。 2、raise()?#include 3、sigqueue()?#include sigqueue()是比较新的发送信号系统调用,主要是针对实时信号提出的(当然也支持前32种),支持信号带有参数,与函数sigaction()配合使用。 sigqueue的第一个参数是指定接收信号的进程ID,第二个参数确定即将发送的信号,第三个参数是一个联合数据结构union sigval,指定了信号传递的参数,即通常所说的4字节值。 在调用sigqueue时,sigval_t指定的信息会拷贝到3参数信号处理函数(3参数信号处理函数指的是信号处理函数由sigaction安装,并设定了sa_sigaction指针,稍后将阐述)的siginfo_t结构中,这样信号处理函数就可以处理这些信息了。由于sigqueue系统调用支持发送带参数信号,所以比kill()系统调用的功能要灵活和强大得多。 注:sigqueue()发送非实时信号时,第三个参数包含的信息仍然能够传递给信号处理函数; sigqueue()发送非实时信号时,仍然不支持排队,即在信号处理函数执行过程中到来的所有相同信号,都被合并为一个信号。 4、alarm()?#include 5、setitimer()?#include
Setitimer()第一个参数which指定定时器类型(上面三种之一);第二个参数是结构itimerval的一个实例,结构itimerval形式见附录1。第三个参数可不做处理。 Setitimer()调用成功返回0,否则返回-1。 6、abort()?#include 向进程发送SIGABORT信号,默认情况下进程会异常退出,当然可定义自己的信号处理函数。即使SIGABORT被进程设置为阻塞信号,调用abort()后,SIGABORT仍然能被进程接收。该函数无返回值。
如果进程要处理某一信号,那么就要在进程中安装该信号。安装信号主要用来确定信号值及进程针对该信号值的动作之间的映射关系,即进程将要处理哪个信号;该信号被传递给进程时,将执行何种操作。 linux主要有两个函数实现信号的安装:signal()、sigaction()。其中signal()在可靠信号系统调用的基础上实现,是库函数。它只有两个参数,不支持信号传递信息,主要是用于前32种非实时信号的安装;而sigaction()是较新的函数(由两个系统调用实现:sys_signal以及sys_rt_sigaction),有三个参数,支持信号传递信息,主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用,当然,sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。 1、signal()?#include 2、sigaction()?#include sigaction函数用于改变进程接收到特定信号后的行为。该函数的第一个参数为信号的值,可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号(为这两个信号定义自己的处理函数,将导致信号安装错误)。第二个参数是指向结构sigaction的一个实例的指针,在结构sigaction的实例中,指定了对特定信号的处理,可以为空,进程会以缺省方式对信号处理;第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理,可指定oldact为NULL。如果把第二、第三个参数都设为NULL,那么该函数可用于检查信号的有效性。 第二个参数最为重要,其中包含了对指定信号的处理、信号所传递的信息、信号处理函数执行过程中应屏蔽掉哪些函数等等。 sigaction结构定义如下: 1、联合数据结构中的两个元素_sa_handler以及*_sa_sigaction指定信号关联函数,即用户指定的信号处理函数。除了可以是用户自定义的处理函数外,还可以为SIG_DFL(采用缺省的处理方式),也可以为SIG_IGN(忽略信号)。 2、由_sa_handler指定的处理函数只有一个参数,即信号值,所以信号不能传递除信号值之外的任何信息;由_sa_sigaction是指定的信号处理函数带有三个参数,是为实时信号而设的(当然同样支持非实时信号),它指定一个3参数信号处理函数。第一个参数为信号值,第三个参数没有使用(posix没有规范使用该参数的标准),第二个参数是指向siginfo_t结构的指针,结构中包含信号携带的数据值,参数所指向的结构如下: siginfo_t结构中的联合数据成员确保该结构适应所有的信号,比如对于实时信号来说,则实际采用下面的结构形式: 前面在讨论系统调用sigqueue发送信号时,sigqueue的第三个参数就是sigval联合数据结构,当调用sigqueue时,该数据结构中的数据就将拷贝到信号处理函数的第二个参数中。这样,在发送信号同时,就可以让信号传递一些附加信息。信号可以传递信息对程序开发是非常有意义的。 信号参数的传递过程可图示如下:
3、sa_mask指定在信号处理程序执行过程中,哪些信号应当被阻塞。缺省情况下当前信号本身被阻塞,防止信号的嵌套发送,除非指定SA_NODEFER或者SA_NOMASK标志位。 注:请注意sa_mask指定的信号阻塞的前提条件,是在由sigaction()安装信号的处理函数执行过程中由sa_mask指定的信号才被阻塞。 4、sa_flags中包含了许多标志位,包括刚刚提到的SA_NODEFER及SA_NOMASK标志位。另一个比较重要的标志位是SA_SIGINFO,当设定了该标志位时,表示信号附带的参数可以被传递到信号处理函数中,因此,应该为sigaction结构中的sa_sigaction指定处理函数,而不应该为sa_handler指定信号处理函数,否则,设置该标志变得毫无意义。即使为sa_sigaction指定了信号处理函数,如果不设置SA_SIGINFO,信号处理函数同样不能得到信号传递过来的数据,在信号处理函数中对这些信息的访问都将导致段错误(Segmentation fault)。 注:很多文献在阐述该标志位时都认为,如果设置了该标志位,就必须定义三参数信号处理函数。实际不是这样的,验证方法很简单:自己实现一个单一参数信号处理函数,并在程序中设置该标志位,可以察看程序的运行结果。实际上,可以把该标志位看成信号是否传递参数的开关,如果设置该位,则传递参数;否则,不传递参数。
信号集被定义为一种数据类型: <p class="ibm-ind-link ibm-back-to-top"><a class="ibm-anchor-up-link" href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index1.html#ibm-pcon">回页首
每个进程都有一个用来描述哪些信号递送到进程时将被阻塞的信号集,该信号集中的所有信号在递送到进程后都将被阻塞。下面是与信号阻塞相关的几个函数: sigsuspend(const sigset_t *mask))用于在接收到某个信号之前,临时用mask替换进程的信号掩码,并暂停进程执行,直到收到信号为止。sigsuspend 返回后将恢复调用之前的信号掩码。信号处理函数完成后,进程将继续执行。该系统调用始终返回-1,并将errno设置为EINTR。 附录1:结构itimerval: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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:
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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。
- 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。
- 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。
int sigwaitinfo(sigset_t *set,siginfo_t *info). - 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。
<div class="ibm-alternate-rule">?
<p class="ibm-ind-link ibm-back-to-top"><a class="ibm-anchor-up-link" href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html#ibm-pcon">回页首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:
- 安装信号(推荐使用sigaction());
- 实现三参数信号处理函数,handler(int signal,struct siginfo *info,void *);
- 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())。
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?。#include #include void new_op(int,siginfo_t*,void*); int main(int argc,char**argv) { struct sigaction act; int sig; sig=atoi(argv[1]); sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_flags=SA_SIGINFO; act.sa_sigaction=new_op; if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0) { printf("install sigal errorn"); } while(1) { sleep(2); printf("wait for the signaln"); }
}
void new_op(int signum,siginfo_t info,void myact)
{
printf("receive signal %d",signum);
sleep(5);
}实例二:信号传递附加信息?主要包括两个实例:
- 向进程本身发送信号,并传递指针参数;
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。#include #include void new_op(int,char**argv) { struct sigaction act; union sigval mysigval; int i; int sig; pid_t pid; char data[10]; memset(data,sizeof(data)); for(i=0;i < 5;i++) data[i]='2'; mysigval.sival_ptr=data; sig=atoi(argv[1]); pid=getpid(); sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_sigaction=new_op;//三参数信号处理函数 act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息传递开关 if(sigaction(sig,NULL) < 0) { printf("install sigal errorn"); } while(1) { sleep(2); printf("wait for the signaln"); sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本进程发送信号,并传递附加信息 }
}
void new_op(int signum,void myact)//三参数信号处理函数的实现
{
int i;
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%cn ",(( (char)((info).si_ptr)+i)));
}
printf("handle signal %d over;",signum);
} - 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:
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。#include #include void new_op(int,char**argv) { struct sigaction act; int sig; pid_t pid; pid=getpid(); sig=atoi(argv[1]); sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_sigaction=new_op; act.sa_flags=SA_SIGINFO; if(sigaction(sig,NULL)<0) { printf("install sigal errorn"); } while(1) { sleep(2); printf("wait for the signaln"); }
}
void new_op(int signum,void *myact)
{
printf("the int value is %d n",info->si_int);
}
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。#include #include #include main(int argc,char**argv) { pid_t pid; int signum; union sigval mysigval; signum=atoi(argv[1]); pid=(pid_t)atoi(argv[2]); mysigval.sival_int=8;//不代表具体含义,只用于说明问题 if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1) printf("send errorn"); sleep(2); }
实例三:信号阻塞及信号集操作
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。
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!
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:
(编辑:李大同)#include #include int main(int argc,char**argv) { pid_t pid; int sig; sig=atoi(argv[1]); pid=atoi(argv[2]); sigqueue(pid,NULL); sleep(2); } 【声明】本站内容均来自网络,其相关言论仅代表作者个人观点,不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利,请及时与联系站长删除相关内容!
- 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。