嵌入式學習(xi)筆記：linux進程通信之信號函數
時間：2018-09-26 來源：未知
1、信號注冊函數： signal
#include
void (*signal(int signum, void (*sighandler_t)(int))) (int); typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
入參：
signum 哪個(ge)信號
handle 信號(hao)所對(dui)應的處(chu)理函數;SIG_IGN：忽略此信號(hao);SIG_DFL：按系(xi)統(tong)默認(ren)
方式處理
該(gai)函(han)數由ANSI定義，由于(yu)歷史原(yuan)因在不同版(ban)本的(de)Unix和(he)不同版(ban)本的(de)Linux中可能有不同的(de)行為。因此應該(gai)盡量避免使用它(ta)，取(qu)而(er)代(dai)之使用sigaction函(han)數。
2、修改信(xin)號處理動作(通常在(zai)Linux用其來(lai)注冊一(yi)個信(xin)號的捕捉函數)
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
成功：0;失敗：-1，設置errno
參數：
act：傳入參數，新的處理方式。
oldact：傳(chuan)出參數(shu)，舊的處理方式。
struct sigaction結構體
struct sigaction {
void
void
sigset_t
int
void
(*sa_handler)(int);
(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
sa_mask;
sa_flags;
(*sa_restorer)(void);
};
sa_restorer：該元(yuan)素是(shi)過時的，不(bu)應該使用，POSIX.1標準將不(bu)指(zhi)定該元(yuan)素。(棄(qi)用)
sa_sigaction：當sa_flags被指(zhi)定為SA_SIGINFO標志時，使(shi)用(yong)該信號處理程(cheng)序(xu)。(很少(shao)使(shi)用(yong))
重點掌握：
① sa_handler：指定信(xin)號捕捉后的處理函(han)數名(ming)(即注冊函(han)數)。也可賦值為SIG_IGN表忽略 或 SIG_DFL表執行默認動(dong)作
② sa_mask: 調用信號處理函(han)數(shu)時(shi)，所要屏蔽的信號集合(信號屏蔽字)。注意(yi)：僅在處理函(han)數(shu)被調用期間屏蔽生效(xiao)，是臨時(shi)性設置。
③ sa_flags：通常(chang)設(she)置為0，表(biao)使(shi)用默認(ren)屬性。
內核實現信號捕捉過(guo)程：
信號捕捉特(te)性：
1、進程(cheng)正(zheng)常運行時，默認PCB中(zhong)有一個(ge)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)屏蔽字(zi)，假定為☆，它(ta)決(jue)定了進程(cheng)自動屏蔽哪些信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。當注冊了某個(ge)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)捕捉函數，捕捉到該(gai)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)以后(hou)，要調用該(gai)函數。而(er)該(gai)函數有可能執(zhi)行很長時間，在這期間所屏蔽的信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)不由☆來指定。而(er)是用sa_mask來指定。調用完信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)處理函數，再恢復為☆。
2、XXX信號捕捉(zhuo)函數(shu)執行期間，XXX信號自(zi)動被屏蔽。
3、阻塞(sai)的常(chang)規信號不支(zhi)持(chi)排隊，產生多次只記錄一(yi)次。(后32個實時(shi)信號支(zhi)持(chi)排
隊)
3、pause函(han)數(shu) ： 掛起當前的進(jin)程，直到(dao)收到(dao)一個(ge)信號(hao)，才會接(jie)著執行
調(diao)(diao)用該函數可以造成(cheng)進程(cheng)主動掛起，等待(dai)信號(hao)喚(huan)(huan)醒。調(diao)(diao)用該系統調(diao)(diao)用的進程(cheng)將處于阻塞狀態(主動放棄cpu) 直(zhi)到有(you)信號(hao)遞達將其喚(huan)(huan)醒。
int pause(void);
返(fan)回值：-1 并設置errno為(wei)EINTR
① 如(ru)(ru)(ru)果信(xin)(xin)號的(de)默認處(chu)理動(dong)(dong)作是(shi)終止進程，則進程終止，pause函(han)數么有機會返回(hui)。 ② 如(ru)(ru)(ru)果信(xin)(xin)號的(de)默認處(chu)理動(dong)(dong)作是(shi)忽(hu)略，進程繼續處(chu)于掛起狀態，pause函(han)數不返回(hui)。 ③ 如(ru)(ru)(ru)果信(xin)(xin)號的(de)處(chu)理動(dong)(dong)作是(shi)捕捉，則【調用完信(xin)(xin)號處(chu)理函(han)數之后，pause返回(hui)-1】errno設置為 EINTR，表示“被信(xin)(xin)號中斷”。想(xiang)想(xiang)我們還有哪個函(han)數只有出(chu)錯返回(hui)
值。
④ pause收到的信號不能(neng)被屏(ping)蔽，如果被屏(ping)蔽，那么pause就(jiu)不能(neng)被喚醒(xing)。
4、alarm函(han)數(shu)
設置定(ding)時器(鬧鐘)。在指定(ding)seconds后，內核會給當前進程(cheng)(cheng)發(fa)送14)SIGALRM信號。進程(cheng)(cheng)收到該信號，默認(ren)動(dong)作終止。
每個進程都有且只有唯一(yi)個定(ding)時器。
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
返回0或剩余的(de)秒數(shu)，無失敗。
常用：取消定時器alarm(0)，返回(hui)舊鬧鐘(zhong)余下(xia)秒(miao)數(shu)。
例：alarm(5) → 3sec → alarm(4) → 5sec → alarm(5) → alarm(0)
定(ding)時(shi)(shi)，與進程狀(zhuang)態(tai)無關(自然定(ding)時(shi)(shi)法)!就緒、運(yun)行(xing)、掛起(qi)(阻塞、暫停)、終(zhong)止、僵尸...無論進程處于何種狀(zhuang)態(tai)，alarm都計時(shi)(shi)。
使用(yong)time命令查(cha)看(kan)程(cheng)序(xu)執(zhi)行(xing)(xing)的時(shi)間。程(cheng)序(xu)運行(xing)(xing)的瓶頸在(zai)于(yu)IO，優化程(cheng)序(xu)，首選優化IO。
實際(ji)執行時(shi)間 = 系統時(shi)間 + 用戶時(shi)間 + 等待(dai)時(shi)間
5、raise函(han)數(shu)： 自己(ji)給(gei)自己(ji)發送信(xin)號(hao) raise(signo) == kill(getpid(), signo);
int raise(int sig);
成功：0，失敗非0值(zhi)
入(ru)參： 發(fa)送的信(xin)號
6、abort 函數：給自己(ji)發送(song)異常終止信號(hao) 6) SIGABRT 信號(hao)，終止并產生core文件 void abort(void); //該函數無返回
kill函(han)數/命令產(chan)生信號
1、kill命(ming)令產生信號：kill -SIGKILL pid
2、kill函數：給指定(ding)(ding)進程發送指定(ding)(ding)信號(不一定(ding)(ding)殺(sha)死)
7、int kill(pid_t pid, int sig);
成功(gong)：0;失敗：-1 (ID非法，信號(hao)非法，普通用(yong)戶殺(sha)init進(jin)程等權級問題(ti))，設置errno sig：不推薦直接(jie)使(shi)用(yong)數字，應使(shi)用(yong)宏名，因為不同操作系統(tong)信號(hao)編(bian)號(hao)可能不同，但(dan)名稱一致。
pid > 0: 發送信號給指定的進程。
pid = = 0: 發送信號給(gei) 與調用kill函(han)數進(jin)(jin)程屬于(yu)同一進(jin)(jin)程組的所(suo)有進(jin)(jin)程。
pid < 0: 取|pid|發(fa)給對應(ying)進程組。
pid = = -1：發(fa)送給進程有權限發(fa)送的系(xi)統(tong)中所有進程。
進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)：每個(ge)(ge)進(jin)(jin)(jin)程(cheng)都(dou)屬于一個(ge)(ge)進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)，進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)是(shi)一個(ge)(ge)或多個(ge)(ge)進(jin)(jin)(jin)程(cheng)集合，他們相互關(guan)聯，共同完成一個(ge)(ge)實(shi)體任(ren)務，每個(ge)(ge)進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)都(dou)有(you)一個(ge)(ge)進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)長，默認進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)ID與進(jin)(jin)(jin)程(cheng)組(zu)長ID
相同。
權(quan)限保護：super用(yong)(yong)戶(root)可(ke)以發送信號(hao)給任意用(yong)(yong)戶，普通用(yong)(yong)戶是(shi)不能向系統用(yong)(yong)戶發送信號(hao)的。 kill -9 (root用(yong)(yong)戶的pid) 是(shi)不可(ke)以的。同(tong)樣，普通用(yong)(yong)戶也不能向其他
普通用(yong)戶(hu)發(fa)送信號，終止其進程(cheng)。 只能(neng)向自己(ji)創建的(de)進程(cheng)發(fa)送信號。普通用(yong)戶(hu)基(ji)本規則(ze)是：發(fa)送者實(shi)際(ji)或有效用(yong)戶(hu)ID == 接收者實(shi)際(ji)或有效用(yong)戶(hu)ID
時序競態
設想如下場景：
欲睡覺(jue)，定(ding)鬧鐘10分鐘，希望10分鐘后(hou)鬧鈴將自己喚醒。
正(zheng)常：定(ding)時，睡覺，10分鐘后被鬧鐘喚醒。
異(yi)常(chang)：鬧鐘(zhong)定(ding)好后，被喚走，外(wai)出勞動(dong)，20分鐘(zhong)后勞動(dong)結束。回來(lai)繼續睡覺計(ji)劃，但勞動(dong)期(qi)間鬧鐘(zhong)已經響過，不會(hui)再將我(wo)喚醒。
時序問題分析
回顧，借助pause和alarm實現的(de)mysleep函數。設想(xiang)如下時序(xu)：
1. 注冊SIGALRM信(xin)號處理函數 (sigaction...)
2. 調(diao)用alarm(1) 函數設定鬧(nao)鐘(zhong)1秒(miao)。
3. 函數(shu)調(diao)用剛結束，開始倒計(ji)時1秒。當(dang)(dang)(dang)前(qian)進程失去cpu，內核調(diao)度優(you)先級(ji)高(gao)的進程(有多個)取代當(dang)(dang)(dang)前(qian)進程。當(dang)(dang)(dang)前(qian)進程無法獲(huo)得(de)cpu，進入就緒態等待cpu。
4. 1秒(miao)后，鬧(nao)鐘超(chao)時(shi)，內核向當(dang)前(qian)進程(cheng)發送(song)SIGALRM信號(自(zi)然定時(shi)法，與進程(cheng)狀態無
關)，高優先級(ji)進程尚(shang)未執行完，當前進程仍(reng)處(chu)(chu)于(yu)就(jiu)緒態，信號(hao)無法處(chu)(chu)理(未決(jue))
5. 優(you)先級高的進程執(zhi)(zhi)行完，當前進程獲得cpu資(zi)源，內核調度回當前進程執(zhi)(zhi)行。
SIGALRM信(xin)號(hao)遞(di)達(da)，信(xin)號(hao)設(she)置捕捉(zhuo)，執行處理函數sig_alarm。
6. 信(xin)號處理函數(shu)執行結束，返回當前進程主控(kong)流程，pause()被調用掛起等待(dai)。(欲
等(deng)待alarm函數發送的SIGALRM信號將自己喚醒(xing))
7. SIGALRM信號已經處理完畢，pause不會等到。
解決時序問題
可以通(tong)過設置(zhi)屏蔽SIGALRM的方(fang)法來控制程序(xu)執行邏輯，但(dan)無論如何設置(zhi)，程序(xu)都有(you)可能在“解除信號(hao)屏蔽”與“掛起(qi)等待信號(hao)”這個(ge)兩個(ge)操作(zuo)(zuo)間隙失(shi)去cpu資(zi)源。除非將這兩步驟(zou)合(he)并(bing)成一個(ge)“原子操作(zuo)(zuo)”。sigsuspend函數(shu)具備這個(ge)功能。在對(dui)時序(xu)要求嚴格的場
合下都應該使用sigsuspend替換(huan)pause。
int sigsuspend(const sigset_t *mask);//掛起等(deng)待信號。
sigsuspend函數(shu)調用期間(jian)，進程(cheng)信號屏蔽字由其參數(shu)mask指定(ding)。
可(ke)將(jiang)某個信號(hao)(hao)(如SIGALRM)從臨時(shi)信號(hao)(hao)屏(ping)(ping)蔽(bi)(bi)字mask中(zhong)刪除，這(zhe)樣在(zai)調用sigsuspend時(shi)將(jiang)解(jie)除對該信號(hao)(hao)的屏(ping)(ping)蔽(bi)(bi)，然后(hou)(hou)掛起等待，當sigsuspend返回(hui)時(shi)，進程的信號(hao)(hao)屏(ping)(ping)蔽(bi)(bi)字恢復為原來的值。如果原來對該信號(hao)(hao)是屏(ping)(ping)蔽(bi)(bi)態，sigsuspend函數返回(hui)后(hou)(hou)仍然屏(ping)(ping)蔽(bi)(bi)該信號(hao)(hao)。
競態條(tiao)件，跟系統(tong)負(fu)載(zai)有很緊密(mi)的關系，體現出信(xin)號的不(bu)可靠(kao)性。系統(tong)負(fu)載(zai)越(yue)嚴重，信(xin)號不(bu)可靠(kao)性越(yue)強。
不(bu)可靠由其實(shi)現(xian)(xian)原理所致。信(xin)號(hao)是通過軟件方式實(shi)現(xian)(xian)(跟內核調度高度依賴(lai)，延時(shi)(shi)性(xing)強)，每(mei)次系統(tong)調用結束(shu)后，或中(zhong)斷處理處理結束(shu)后，需通過掃描(miao)PCB中(zhong)的未決信(xin)號(hao)集，來(lai)判斷是否應處理某個信(xin)號(hao)。當系統(tong)負載過重(zhong)時(shi)(shi)，會出現(xian)(xian)時(shi)(shi)序混亂。
這種意外情況只能在(zai)編寫程序(xu)過程中(zhong)，提早預見，主動規(gui)避，而無法通過gdb程序(xu)調試等其他(ta)手段(duan)彌(mi)補(bu)。且(qie)由于該錯誤(wu)不具規(gui)律性(xing)，后期捕捉和重(zhong)現十分困難(nan)。
8、setitimer函數
設置定(ding)時器(鬧鐘(zhong))。 可(ke)(ke)代替alarm函數。精度微秒us，可(ke)(ke)以實現周(zhou)期(qi)定(ding)時。
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
成功：0;失敗：-1，設置errno
參數(shu)：which：指定(ding)定(ding)時方式(shi)
① 自(zi)(zi)然(ran)定時(shi)：ITIMER_REAL → 14)SIGLARM 計算(suan)自(zi)(zi)然(ran)時(shi)間
② 虛擬空(kong)(kong)間計時(用戶空(kong)(kong)間)：ITIMER_VIRTUAL → 26)SIGVTALRM 只(zhi)計算進程占
用cpu的(de)時間
③ 運行(xing)時計(ji)時(用(yong)(yong)戶+內核(he))：ITIMER_PROF → 27)SIGPROF 計(ji)算占用(yong)(yong)cpu及(ji)執行(xing)系(xi)
統調用的時間
信(xin)號集操作函(han)數：
內核通過讀(du)取未(wei)決信號(hao)集來(lai)判斷信號(hao)是(shi)否應被處(chu)理(li)。信號(hao)屏蔽字mask可以(yi)影響未(wei)決信號(hao)集。而我們可以(yi)在(zai)應用程序中自定(ding)義(yi)set來(lai)改變mask。已達到屏蔽指(zhi)定(ding)信號(hao)的目的。
信號集設定：
sigset_t set; // typedef unsigned long sigset_t;
int sigemptyset(sigset_t *set); //將某個信(xin)號集(ji)清0
成功：0;失敗：-1
int sigfillset(sigset_t *set); //將某個信號集置
1
成功：0;失敗：-1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum); //將某個信號加(jia)入信號集
成功：0;失敗：-1
int sigdelset(sigset_t *set, int signum); //將某個(ge)信號清出信號集
成功：0;失敗：-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);//判斷(duan)某個(ge)信(xin)號(hao)是(shi)否在信(xin)號(hao)
集中
返回值：在集合：1;不在：0;出錯：-1
sigset_t類型的本質(zhi)是位圖。但不(bu)應該(gai)直接使(shi)用位操作，而應該(gai)使(shi)用上述(shu)函數，保(bao)證(zheng)
跨系(xi)統操作有效。
對(dui)比認知select 函數。
9、sigprocmask函數
用來(lai)屏蔽信(xin)號(hao)(hao)、解(jie)除屏蔽也使用該(gai)函數。其本質(zhi)，讀取或修改進程的信(xin)號(hao)(hao)屏蔽字(PCB
中)
嚴格注(zhu)意，屏蔽信(xin)號(hao)：只是將信(xin)號(hao)處(chu)理延后執(zhi)行(延至解除屏蔽);而(er)忽略(lve)表示(shi)將信(xin)號(hao)
丟處理。
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset); 成功(gong)：0;失敗：-1，設置errno
參數：
set：傳入參數，是(shi)一個位(wei)圖，set中哪位(wei)置1，就表示(shi)當前進程屏蔽哪個信號。
oldset：傳(chuan)出參數，保存舊(jiu)的信(xin)號屏蔽(bi)集。
how參數取(qu)值：假設當前的信號屏蔽字(zi)為mask
SIG_BLOCK: 當how設置為(wei)此值(zhi)，set表(biao)示(shi)需要(yao)屏(ping)蔽的信(xin)號。相(xiang)當于 mask = mask|set
SIG_UNBLOCK: 當how設置為此，set表示需要解除屏(ping)蔽的信號。相當于 mask = mask & ~set
SIG_SETMASK: 當how設(she)置為(wei)此，set表(biao)示用于替代原始屏蔽及的新(xin)屏蔽集。相當于 mask = set若，調(diao)用sigprocmask解除了(le)對當前若干個(ge)信號(hao)的阻(zu)塞，則在sigprocmask返(fan)回
前，至(zhi)少將其中(zhong)一(yi)個信號遞達。
10、sigpending函數(shu)
讀(du)取當前進(jin)程的未決信號集
int sigpending(sigset_t *set); //set傳出(chu)參數。
返回值(zhi)：成(cheng)功：0;失敗：-1，設置errno
