此为牛客Linux C++和黑马Linux系统编程课程笔记。

文章目录

0. 信号的概念
1. Linux信号一览表
2. 信号相关函数
3. kill函数
4. raise函数
5. abort函数
6. alarm函数
7. setitimer函数
8. signal函数
9. 信号集
10. 自定义信号集相关函数
11. sigprocmask函数
12. sigpending函数
13. sigaction函数
14. 内核实现信号捕捉过程

0. 信号的概念

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，都是由内核负责发送的，内核处理。

1. Linux信号一览表

红色为重点掌握的信号

2. 信号相关函数

3. kill函数

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int kill(pid_t pid, int sig);

功能：给任何的进程或者进程组pid, 发送任何的信号 sig

参数：

pid ：

< 0 : 将信号发送给指定的进程
= 0 : 将信号发送给当前的进程组
= -1 : 将信号发送给每一个有权限接收这个信号的进程
< -1 : 这个pid=某个进程组的ID取反（-12345）

sig : 需要发送的信号的编号或者是宏值，0表示不发送任何信号

如kill(getppid(), 9);能够杀死父进程；kill(getpid(), 9);能够杀死当前进程。

4. raise函数

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int raise(int sig);

功能：给当前进程发送信号；

参数：sig : 要发送的信号；

返回值：成功 0，失败非0。

相当于kill(getpid(), sig);

5. abort函数

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>void abort(void);

功能：发送SIGABRT（编号为6）信号给当前的进程，杀死当前进程；

相当于kill(getpid(), SIGABRT);或raise(SIGBRT);。

6. alarm函数

设置定时器(闹钟)。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。

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

功能：设置定时器（闹钟）。函数调用，开始倒计时，当倒计时为0的时候，函数会给当前的进程发送一个信号：SIGALARM。

参数：seconds: 倒计时的时长，单位：秒。如果参数为0，定时器无效（不进行倒计时，不发信号）。

返回值：

之前没有定时器，返回0
之前有定时器，返回之前的定时器剩余的时间

常用：使用alarm(0)取消定时器，返回旧闹钟余下秒数。

每个进程都有且只有唯一个定时器。 比如：进程先执行了alarm(10)，2秒后又执行了一个alarm(5)，alarm(5)的返回值是8，因为之前有定时器，返回的是之前定时器的剩余时间。然后从现在起该进程还是只有一个定时器，定时5秒，因为后来的定时器会刷新之前的定时器。

注意，alarm定时是与与进程状态无关(自然定时法)！就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸…无论进程处于何种状态，alarm都计时。

看以下示例程序：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main()
{int i;alarm(1);for(i = 0; ; i++) {printf("%d\n", i);}return 0;
}

用定时器让程序执行1s后停止。
我们用time ./alarm来查看该程序的运行时间：

可以看到实际运行时间几乎是1秒，但是发现用户时间和系统时间加起来与总的运行时间不同，这是为什么呢。

实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间。程序的很多时间浪费在printf上了。

7. setitimer函数

#include <sys/time.h>
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

功能：设置定时器（闹钟）。可以替代alarm函数。精度微妙us，可以实现周期性定时。

参数：

which : 定时器以什么时间计时，有以下三种参数，一般用第一种自然定时。
ITIMER_REAL: 真实时间（自然定时），时间到达发送 SIGALRM 常用
ITIMER_VIRTUAL: 用户时间，时间到达发送 SIGVTALRM
ITIMER_PROF: 以该进程在用户态和内核态下所消耗的时间来计算，时间到达发送 SIGPROF
new_value: 设置定时器的属性

struct itimerval {      // 定时器的结构体struct timeval it_interval;  // 每个阶段的时间，间隔时间struct timeval it_value;     // 延迟多长时间执行定时器
};struct timeval {        // 时间的结构体time_t      tv_sec;     //  秒数     suseconds_t tv_usec;    //  微秒
};

old_value ：记录上一次的定时的时间参数，一般不使用，指定NULL

如以下示例程序能够实现延迟3秒，每2秒发送一次信号。

#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {struct itimerval new_value;// 设置间隔的时间new_value.it_interval.tv_sec = 2;new_value.it_interval.tv_usec = 0;// 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时new_value.it_value.tv_sec = 3;new_value.it_value.tv_usec = 0;int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的printf("定时器开始了...\n");if(ret == -1) {perror("setitimer");exit(0);}getchar();return 0;
}

由于还没有介绍signal信号捕捉函数，setitimer发出的信号让程序终止，所以无法演示其周期性发送信号的功能，接下来介绍signal函数。

8. signal函数

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

功能：设置某个信号的捕捉行为

注意：并不是该函数来捕捉信号，该函数只是向内核注册对某个信号的捕捉行为。

参数：

signum: 要捕捉的信号
handler: 捕捉到信号要如何处理，可以有以下三种参数：
- SIG_IGN ：忽略信号
- SIG_DFL ：使用信号默认的行为
- 回调函数 : 这个函数是内核调用，程序员只负责写，捕捉到信号后如何去处理信号。

回调函数：
- 需要程序员实现，提前准备好的，函数的类型根据实际需求，看函数指针的定义
- 不是程序员调用，而是当信号产生，由内核调用
- 函数指针是实现回调的手段，函数实现之后，将函数名放到函数指针的位置就可以了。

返回值：

成功，返回上一次注册的信号处理函数的地址。第一次调用返回NULL
失败，返回SIG_ERR，设置错误号

注意：SIGKILL 和 SIGSTOP不能被捕捉，不能被忽略。

在setitimer的示例代码中加入signal后，示例代码如下：

void myfunc(int num) {printf("捕捉到了信号的编号是：%d\n", num);printf("xxxxxxx\n");
}// 过3秒以后，每隔2秒钟定时一次
int main() {// 注册信号捕捉// signal(SIGALRM, SIG_IGN);// signal(SIGALRM, SIG_DFL);// void (*sighandler_t)(int); 函数指针，int类型的参数表示捕捉到的信号的值。signal(SIGALRM, myfunc);struct itimerval new_value;// 设置间隔的时间new_value.it_interval.tv_sec = 2;new_value.it_interval.tv_usec = 0;// 设置延迟的时间,3秒之后开始第一次定时new_value.it_value.tv_sec = 3;new_value.it_value.tv_usec = 0;int ret = setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL); // 非阻塞的printf("定时器开始了...\n");if(ret == -1) {perror("setitimer");exit(0);}getchar();return 0;
}

signal的第二个参数传入函数地址，当当前进程捕捉到SIGALRM信号时，将执行程序员自定义的myfunc函数，myfun函数的int类型参数是捕捉到的信号的值（编号）。
程序运行结果如下：

程序运行3秒后第一次发出信号，程序输出一次，然后每隔2秒发出一次信号。

9. 信号集

一个进程的PCB中除了包含进程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(信号屏蔽字)：将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽x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。

信号集本质上是一个64位的二进制数，其每一位的0或1代表着该位序号对应的信号的状态。

当信号产生时，PCB中未决信号集中的该位立即置为1，然后去阻塞信号集的同样位置查看是否为1，如果阻塞信号集的对应位置也为1，说明该信号要阻塞，未决信号集的该位置保持1不变；直到阻塞解除，这个信号就被处理。

10. 自定义信号集相关函数

以下信号集相关的函数都是对自定义的信号集进行操作。

int sigemptyset(sigset_t *set);

功能：清空信号集中的数据,将信号集中的所有的标志位置为0
参数：set,传出参数，需要操作的信号集
返回值：成功返回0，失败返回-1

int sigfillset(sigset_t *set);

功能：将信号集中的所有的标志位置为1
参数：set：传出参数，需要操作的信号集
返回值：成功返回0，失败返回-1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

功能：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为1，表示阻塞这个信号
参数：
- set：传出参数，需要操作的信号集
- signum：需要设置阻塞的那个信号
返回值：成功返回0，失败返回-1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

功能：设置信号集中的某一个信号对应的标志位为0，表示不阻塞这个信号
参数：
- set：传出参数，需要操作的信号集
- signum：需要设置不阻塞的那个信号
返回值：成功返回0，失败返回-1

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

功能：判断某个信号是否阻塞
参数：
- set：需要操作的信号集
- signum：需要判断的那个信号
返回值：
1 ： signum被阻塞
0 ： signum不阻塞
-1 ：失败

一个用到以上函数的示例程序如下：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>int main() {// 创建一个信号集sigset_t set;// 清空信号集的内容sigemptyset(&set);// 判断 SIGINT 是否在信号集 set 里int ret = sigismember(&set, SIGINT);if(ret == 0) {printf("SIGINT 不阻塞\n");} else if(ret == 1) {printf("SIGINT 阻塞\n");}// 添加几个信号到信号集中sigaddset(&set, SIGINT);sigaddset(&set, SIGQUIT);// 判断SIGINT是否在信号集中ret = sigismember(&set, SIGINT);if(ret == 0) {printf("SIGINT 不阻塞\n");} else if(ret == 1) {printf("SIGINT 阻塞\n");}// 判断SIGQUIT是否在信号集中ret = sigismember(&set, SIGQUIT);if(ret == 0) {printf("SIGQUIT 不阻塞\n");} else if(ret == 1) {printf("SIGQUIT 阻塞\n");}// 从信号集中删除一个信号sigdelset(&set, SIGQUIT);// 判断SIGQUIT是否在信号集中ret = sigismember(&set, SIGQUIT);if(ret == 0) {printf("SIGQUIT 不阻塞\n");} else if(ret == 1) {printf("SIGQUIT 阻塞\n");}return 0;
}

11. sigprocmask函数

之前的信号集函数均是对自定义的信号集进行操作，那如何修改内核中的阻塞信号集呢？可以使用sigprocmask函数，用自定义的信号集设置内核阻塞信号集。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

功能：将自定义信号集中的数据设置到内核中（设置阻塞，解除阻塞，替换）。

参数：

how : 如何对内核阻塞信号集进行处理，有以下可选参数：

SIG_BLOCK: 将用户设置的阻塞信号集添加到内核中，内核中原来的数据不变（假设内核中默认的阻塞信号集是mask， mask | set）。

SIG_UNBLOCK: 根据用户设置的数据，对内核中的数据进行解除阻塞（相当于 mask = mask & ~set）。

SIG_SETMASK: 用set覆盖内核中原来的值。

set ：已经初始化好的用户自定义的信号集
oldset : 保存设置之前的内核中的阻塞信号集的状态，可以是 NULL。

返回值：成功：0 ；失败：-1，并设置错误号。

12. sigpending函数

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);

功能：获取内核中的未决信号集。

参数：set，传出参数，保存的是内核中的未决信号集中的信息。

13. sigaction函数

sigaction函数通常用于替代signal函数，用来捕捉信号，同时自定义信号的处理动作。

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

功能：检查或者改变信号的处理。信号捕捉。

参数：

signum : 需要捕捉的信号的编号或者宏值（信号的名称）
act ：捕捉到信号之后的处理动作
oldact : 上一次对信号捕捉相关的设置，一般不使用，传NULL即可

返回值：成功 0 失败 -1

其中参数act的类型sigaction结构体定义如下：

struct sigaction {// 函数指针，指向的函数就是信号捕捉到之后的处理函数void     (*sa_handler)(int);// 不常用void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);// 临时阻塞信号集，在信号捕捉函数执行过程中，临时阻塞某些信号。sigset_t   sa_mask;// 使用哪一个信号处理对捕捉到的信号进行处理// 这个值可以是0，表示使用sa_handler,也可以是SA_SIGINFO表示使用sa_sigactionint        sa_flags;// 被废弃掉了void     (*sa_restorer)(void);};

其中sa_sigaction和sa_restorer我们基本用不到，所以掌握以下三个即可：
① sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为SIG_IGN表忽略或 SIG_DFL表执行默认动作。
② sa_mask: 调用信号处理函数时，所要屏蔽的信号集合(信号屏蔽字)。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽生效，是临时性设置。
③ sa_flags：通常设置为0，表使用默认属性。

该函数与signal函数最大的区别就在于sa_mask上，sa_mask是程序员自定义的一个信号集，该信号集充当调用信号处理函数时的一个临时的阻塞信号集，也就是说：

进程正常运行时，默认PCB中有一个信号屏蔽字（阻塞信号集），假定为☆，它决定了进程自动屏蔽哪些信号。当注册了某个信号捕捉函数，捕捉到该信号以后，要调用该函数。而该函数有可能执行很长时间，在这期间所屏蔽的信号不由☆来指定。而是用sa_mask来指定。调用完信号处理函数，再恢复为☆。

示例程序如下：

#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>void catchFunc(int signo) {printf("捕捉到了信号：%d \n", signo);
}int main() {struct sigaction act;act.sa_handler = catchFunc;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT); // 想要在捕捉函数中屏蔽SIGQUIT信号int res = sigaction(SIGINT, &act, NULL);if(res == -1) {perror("sigaction error");exit(1);}while(1);return 0;
}

执行结果如下：
每次在终端输入ctrl+c（产生SIGINT信号）时，输出：捕捉到了信号2。

当在键盘中输入ctrl+\（产生SIGQUIT）时，程序退出。那么有个问题，程序中不是已经设置了sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT);来屏蔽信号了吗？为什么输入ctrl+\时，程序依然会退出？是因为sigaction函数设置的sa_mask只在信号处理函数执行中生效，输出语句后信号处理函数以及执行完毕。

再看下面示例程序：该程序让信号处理函数睡眠10秒。

#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void catchFunc(int signo) {printf("捕捉到了信号：%d \n", signo);sleep(10);printf("-----finish-----");
}int main() {struct sigaction act;act.sa_handler = catchFunc;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT); // 想要在捕捉函数中屏蔽SIGQUIT信号int res = sigaction(SIGINT, &act, NULL);if(res == -1) {perror("sigaction error");exit(1);}return 0;
}

运行程序后，输入ctrl+c，终端输出如下：

此时10秒以内，依然在执行信号捕捉函数catchFunc，也就是说当前sa_mask是生效的。此时我们输入crtl+\：

程序并没有退出，因为此时sa_mask中屏蔽了SIGQUIT信号。等待10秒过后：

发现程序自动退出，这是因为10秒过后信号捕捉函数catchFunc执行完毕，临时的阻塞信号集（sa_mask）失效，此时生效的是原PCB中的阻塞信号集，未决信号集（SIGQUIT处的值为1）查询到后阻塞信号集中SIGQUIT处的值是0后，SIGQUIT信号递达，程序退出。

这里还有一个值得注意的细节：

当信号捕捉函数catchFunc执行时，我输入了多个ctrl+c后，信号捕捉函数执行完毕后，只输出了一个“捕捉到了信号：2”，这是因为我们无论向当前进程发出多少个相同信号，未决信号集的对应位都是1，无法记录相同信号的数量，所以当临时阻塞信号集被取消后，只输出了一个“捕捉到了信号：2”。有以下结论：

阻塞的常规信号不支持排队，产生多次只记录一次。（后32个实时信号支持排队）。

14. 内核实现信号捕捉过程

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