一、什么是信号
1. 信号的概念
信号在生活中随处可见,比如体育比赛中使用的信号枪、我给你传递一个眼神(你懂的哈哈哈),等等。这些信号都有一些共同点:一是简单;而是不能携带大量信息;三是满足某个特设条件才发送。
信号是信息的载体,是Linux/UNIX 环境下,古老而经典的通信方式, 现在依然是主要的通信手段。Unix早期版本就提供了信号机制,但不可靠,信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T都对信号模型做了更改,增加了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1对可靠信号例程进行了标准化。
2. 信号的实现机制
进程A给B发送信号,B收到信号之前执行自己的代码,收到信号后,不管执行到程序的什么位置,都要暂停运行,去处理信号,处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断,早期常被称为“软中断”。信号具有这样的特质,由于信号是通过软件方法实现,其实现手段导致信号有很强的延时性,但是对于用户来说,这个延迟时间非常短,不易察觉。
每个进程收到的所有信号,本质上都是由内核负责发送的,由内核去处理,我们名义上说是进程A发送信号给进程B,实质上信号是由内核产生,由内核发送,并由内核处理的。进程收到信号要无条件处理信号,并且可以选择忽略(忽略也是对信号的一种处理)、捕捉、处理信号默认的动作等。
3. 信号相关的一些琐碎知识点
3.1 产生信号的方式
- 按键产生,如:Ctrl c、Ctrl z、Ctrl
- 系统调用产生,如:kill、raise、abort
- 软件条件产生,如:定时器alarm,setitimer
- 硬件异常产生,如:非法访问内存(段错误)、浮点型错误、除0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)、SIGPIPE
- 命令产生,如:kill命令
3.2 信号的状态
- 产生:
- 递达:递送并且到达进程。
- 未决:产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。
3.3 信号的处理方式
- 执行默认动作
- 忽略(丢弃)
- 捕捉(调用户处理函数),捕获可以说是学习信号最重要的原因之一,当我们的程序产生比如段错误、总线错误等等,程序会异常终止,我们通过捕获可以捕获到这种错误,并使程序不终止。
3.4 PCB中的信号相关信息
Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体task_struct,除了包含进程id、状态、工作目录、用户id、组id、文件描述符表、还包含了信号相关的信息,主要指阻塞信号集和未决信号集。
- 阻塞信号集:也叫信号屏蔽字,将某些信号加入集合,对他们设置屏蔽,当屏蔽某个信号后,再收到该信号,该信号的处理将推后(解除屏蔽后)。
- 未决信号集:
- 信号产生,未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1,表信号处于未决状态;当信号被处理对应位翻转回为0,这一时刻往往非常短暂。
- 信号产生后由于某些原因主要是阻塞不能抵达,这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前,信号一直处于未决状态。
未决信号集就是没有被处理的信号,未决信号集实际上是一个32位数,每一位代表一个信号,当信号产生的时候,就把对应的位反转为1,如果该信号未被处理就反转回0,处理了就保持为1。
而阻塞信号集会影响到未决信号集,比如说我在阻塞信号集中将2号信号为置为1,也就是将2号信号屏蔽,那么未决信号集中2号信号对应的位就会变为1(未决状态),一直阻塞在这种状态。
3.5 信号的编号
可以使用 kill –l 命令查看当前系统有哪些可用信号
不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为常规信号(也叫普通信号或标准信号),34-64称之为实时信号,驱动编程与硬件相关,这些信号名字类似。
3.6 信号四要素
每个信号必须要有的四个要素:
- 编号
- 名称
- 事件
- 默认处理动作,信号的默认动作主要有:
- Term:终止进程
- Ign: 忽略信号 ,默认即时对该种信号忽略操作
- Core:终止进程,生成Core文件,主要是查验进程终止原因, 用于gdb调试
- Stop:停止(暂停)进程
- Cont:继续运行进程
3.7 信号帮助文档
可通过 man 7 signal 查看帮助文档获取标准信号信息表
在标准信号中,有一些信号是有三个 "Value",第一个值通常对alpha和sparc架构有效,中间值针对x86、arm和其他架构,最后一个应用于mips架构。一个 '-' 表示在对应架构上尚未定义该信号。我们主要关注中间的那个值。
不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在Unix系统内,也出现在Linux中,而有的信号出现在FreeBSD或 Mac OS 中却没有出现在Linux下。这里我们只研究Linux系统中的信号。
注意从 man 7 signal 帮助文档中可看到 : The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored. 这里特别强调了SIGKILL 和SIGSTOP信号,不允许忽略和捕捉,只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。另外需清楚,只有每个信号所对应的事件发生了,该信号才会被递送(但不一定递达)。
二、信号的产生
1. 终端按键产生信号
- Ctrl c :2号信号SIGINT,表示终止/中断。(SIG INT → signal interrupt)
- Ctrl z:20号信号SIGTSTP,表示暂停/停止。(SIG T STP → signal terminal stop)
- Ctrl :3号信号SIGQUIT,表示退出。(SIG QUIT → signal quit)
2. 硬件异常信号
当程序出现硬件异常会产生信号:
- 除0操作,浮点型错误,8号信号SIGFPE。
- 非法访问内存,11号信号SIGSEGV,段错误。
- 总线错误,7号信号SIGNUS。
3. 函数产生信号
3.1 kill函数
kill命令和kill函数都可以产生信号来杀死进程。kill命令产生信号:kill -SIGKILL pid;kill函数:给指定进程发送指定信号(不一定杀死)。
- 头文件及函数原型
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
- 函数功能 The kill() system call can be used to send any signal to any process group or process. 给指定进程发送指定信号。
- 函数参数
- pid:进程ID
- If pid is positive, then signal sig is sent to the process with the ID specified by pid. 如果pid > 0,发送信号给指定的进程。
- If pid equals 0, then sig is sent to every process in the process group of the calling process. 如果pid = 0,发送信号给与调用kill函数的进程属于同一进程组的所有进程。
- If pid equals -1, then sig is sent to every process for which the calling process has permission to send signals, except for process 1 (init), but see below. 如果pid = -1,发送给进程有权限发送的系统中所有进程。
- If pid is less than -1, then sig is sent to every process in the process group whose ID is -pid. 如果pid < -1,对pid取模发给对应进程组。
- sig:信号名,不推荐直接使用数字,应使用宏名,因为不同操作系统信号编号可能不同,但名称一致。 If sig is 0, then no signal is sent, but error checking is still performed; this can be used to check for the existence of a process ID or process group ID.
- pid:进程ID
- 函数返回值
- On success (at least one signal was sent), zero is returned. 成功返回0。
- On error, -1 is returned, and errno is set appropriately. 失败返回-1 (ID非法,信号非法,普通用户杀init进程等权级问题),设置errno。
3.2 raise函数
- 包含头文件与函数原型
#include <signal.h>
int raise(int sig);
- 函数功能
he raise() function sends a signal to the calling process or thread. 给当前进程发送指定信号(自己给自己发) 。
- In a single-threaded program it is equivalent to kill(getpid(), sig);
- In a multithreaded program it is equivalent to pthread_kill(pthread_self(), sig);
- If the signal causes a handler to be called, raise() will only return after the signal handler has returned.
- 函数参数
- sig
- 函数返回值 raise() returns 0 on success, and non-zero for failure. 成功返回0,失败返回非0值。
/************************************************************
>File Name : test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月23日 星期一 14时20分42秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
printf("pid: %dn", getpid());
sleep(1);
raise(SIGKILL); /* 相当于
kill(getpid(), SIGKILL); */
return 0;
}
3.3 abort函数
- 包含头文件及函数原型
#include <stdlib.h>
void abort(void);
- 函数功能 The abort() first unblocks the SIGABRT signal, and then raises that signal for the calling process. 给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT 信号,终止并产生core文件。
- 函数参数
- void
- 函数返回值 The abort() function never returns.
4. 时钟信号
4.1 alarm函数
- 包含头文件及函数原型
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
函数功能
设置定时器(闹钟),定时给调用进程(也就是自己)发送SIGALRM,来约定进程几秒钟后结束。在指定seconds后,内核会给当前进程发送14)SIGALRM信号,进程收到该信号,默认动作终止。 每个进程都有且只有唯一一个定时器。定时与进程状态无关(自然定时法),就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸等等无论进程处于何种状态,alarm都会计时。
alarm() arranges for a SIGALRM signal to be delivered to the calling process in seconds seconds.
Signal | Value | Action | Comment |
---|---|---|---|
SIGALRM | 14 | Term | Timer signal from alarm(2) |
Term Default action is to terminate the process. /*终止进程*/
- If seconds is zero, no new alarm() is scheduled.
- In any event any previously set alarm() is canceled.
函数参数
- seconds:时间,单位秒。alarm(0)相当于取消闹钟。
函数返回值
alarm() returns the number of seconds remaining until any previously scheduled alarm was due to be delivered, or zero if there was no previously scheduled alarm. 返回上次定时器剩余的秒数。我们实现约定好多少秒时候发送一个信号,alarm()函数返回距离发送信号还剩余的秒数,如果没有剩余时间或没有约定发送信号返回0。可以这么理解,如果是第一次开启定时器,返回0;如果上一次设定了alarm(5),两秒之后又设置了alarm(3),那么这个alarm()返回上一次定时器剩余的时间,也就是5-2=3秒。
用法示例:
代码语言:javascript复制/************************************************************
>File Name : test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月23日 星期一 14时20分42秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int ret = alarm(3);
printf("first alarm(3) return: %dn", ret);
sleep(2);
ret = alarm(5);
printf("second alarm(5) return: %dn", ret);
while(1)
{
printf("pid: %dn", getpid());
sleep(1);
}
return 0;
}
编译运行得到结果
示例2:time命令计时与IO优化
代码语言:javascript复制#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int count = 0;
alarm(1);
while(1)
{
printf("%dn", count );
}
return 0;
}
编译运行,使用time命令可以查看程序执行的时间(实际执行时间 = 系统时间 用户时间 等待时间),time ./a.out
在上面的时间中:
real:总共的时间(自然时间);
user:用户使用时间;
sys:系统时间;
可以看到最大计数到了7572,并且user几乎没有分配到时间,这是因为IO操作(打印屏幕)造成的,我们可以重定向一下输出
可以看到user的时间增加了,并且最大计数达到了306087。实际上程序运行的瓶颈大部分在于IO,优化程序,首先优化IO。
4.2 setitimer函数
- 包含头文件及函数原型
#include <sys/time.h>
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
- 函数功能 The system provides each process with three interval timers, each decrementing in a distinct time domain. 设置定时器(闹钟),可代替alarm函数,精度微秒us,可以实现周期定时。
- 函数参数
- which:指定定时方式
- ITIMER_REAL:decrements in real time, and delivers SIGALRM upon expiration. 自然定时法,ITIMER_REAL对应信号14)SIGLARM,计算自然时间。(实际执行时间 = 系统时间 用户时间 等待时间)。
- ITIMER_VIRTUAL:decrements only when the process is executing, and delivers SIGVTALRM upon expiration. 虚拟空间计时(用户空间),ITIMER_VIRTUAL对应信号26)SIGVTALRM,只计算进程占用cpu的时间。(计算进程执行时间)
- ITIMER_PROF:decrements both when the process executes and when the system is executing on behalf of the process. Coupled with ITIMER_VIRTUAL, this timer is usually used to profile the time spent by the application in user and kernel space. SIGPROF is delivered upon expiration. 运行时计时(用户 内核),ITIMER_PROF对应信号27)SIGPROF,计算占用cpu及执行系统调用的时间。(进程执行时间 调度时间)
- new_value:要设置的定时器时间
struct itimerval { struct timeval it_interval; /* next value 周期性的时间*/ struct timeval it_value; /* current value 下一次闹钟到来的时间 */ }; struct timeval { long tv_sec; /* seconds 秒*/ long tv_usec; /* microseconds 微秒*/ }; /*秒 微妙才是真正的时间,微妙是为了更精确*/
- it_interval:用来设定两次定时任务之间间隔的时间。
- it_value:定时的时长 。
- 两个参数都设置为0,即清0操作。
- old_value:原来的定时器时间
- which:指定定时方式
- 函数返回值
- On success, zero is returned.
- On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
示例1:使用setitimer实现alarm函数定时功能
代码语言:javascript复制#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
struct itimerval temp = {{0, 0}, {3, 0}};
setitimer(ITIMER_REAL, &temp, NULL); /*ITIMER_REAL,3秒后发送SIGALRM信号*/
while(1)
{
printf("pid: %dn", getpid());
sleep(1);
}
return 0;
}
编译运行,3秒后闹钟
示例2:周期性定时器
代码语言:javascript复制#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
/*信号处理回调函数*/
void m_catch(int sig)
{
/*捕捉到信号执行此函数,不杀死进程*/
printf("catch signal: %dn", sig);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
signal(SIGALRM, m_catch/*函数指针做函数参数*/);
/*signal信号捕捉函数,当产生SIGALRM信号的时候,去执行m_catch函数*/
struct itimerval temp = {{2, 0}, {4, 0}}; /*第一次等待4秒,以后每隔2秒发送一个信号*/
setitimer(ITIMER_REAL, &temp, NULL);
while(1)
{
printf("pid: %dn", getpid());
sleep(1);
}
return 0;
}
编译执行,可以看到第一次隔了4秒捕获到信号,后面周期性的每隔2秒捕获一次信号,不会杀死进程,可以通过ctrl c杀掉进程。
示例3:setitimer实现alarm函数
代码语言:javascript复制#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
unsigned int malarm(unsigned int seconds)
{
struct itimerval temp = {{0, 0}, {0, 0}};
struct itimerval ret;
temp.it_value.tv_sec = seconds;
setitimer(ITIMER_REAL, &temp, &ret);
printf("tv_sec: %ld, tv_mirsec: %ldn", ret.it_value.tv_sec, ret.it_value.tv_usec);
return ret.it_value.tv_sec;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int ret = malarm(5);
printf("malarm() return: %dn", ret);
sleep(2);
ret = malarm(6);
printf("malarm() return: %dn", ret);
while(1)
{
printf("pid: %dn", getpid());
return 0;
}
return 0;
}
编译运行,时间可能会不太准确,这是正常的