Linux環境處理序間通訊(二) 訊號(下)

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上載者:User
Linux環境處理序間通訊(二): 訊號(下)

一、訊號生命週期

從訊號發送到訊號處理函數的執行完畢

對於一個完整的訊號生命週期(從訊號發送到相應的處理函數執行完畢)來說,可以分為三個重要的階段,這三個階段由四個重要事件來刻畫:訊號誕生;訊號在進程中註冊完畢;訊號在進程中的登出完畢;訊號處理函數執行完畢。相鄰兩個事件的時間間隔構成訊號生命週期的一個階段。

下面闡述四個事件的實際意義:

  1. 訊號"誕生"。訊號的誕生指的是觸發訊號的事件發生(如檢測到硬體異常、定時器逾時以及調用訊號發送函數kill()或sigqueue()等)。
  2. 訊號在目標進程中"註冊";進程的task_struct結構中有關於本進程中未決訊號的資料成員:

struct sigpending pending:

struct sigpending{

        struct sigqueue *head, **tail;

        sigset_t signal;

};

第三個成員是進程中所有未決訊號集,第一、第二個成員分別指向一個sigqueue類型的結構鏈(稱之為"未決訊號資訊鏈")的首尾,資訊鏈中的每個sigqueue結構刻畫一個特定訊號所攜帶的資訊,並指向下一個sigqueue結構:

struct sigqueue{

        struct sigqueue *next;

        siginfo_t info;

}

訊號在進程中註冊指的就是訊號值加入到進程的未決訊號集中(sigpending結構的第二個成員sigset_t signal),並且訊號所攜帶的資訊被保留到未決訊號資訊鏈的某個sigqueue結構中。只要訊號在進程的未決訊號集中,表明進程已經知道這些訊號的存在,但還沒來得及處理,或者該訊號被進程阻塞。

註:
當一個即時訊號發送給一個進程時,不管該訊號是否已經在進程中註冊,都會被再註冊一次,因此,訊號不會丟失,因此,即時訊號又叫做"可靠訊號"。這意味著 同一個即時訊號可以在同一個進程的未決訊號資訊鏈中佔有多個sigqueue結構(進程每收到一個即時訊號,都會為它分配一個結構來登記該訊號資訊,並把 該結構添加在未決訊號鏈尾,即所有誕生的即時訊號都會在目標進程中註冊);

當一個非即時訊號發送給一個進程時,如果該訊號已經在進程中註冊,則該訊號將被丟棄,造成訊號丟失。因此,非即時訊號又叫做"不可靠訊號"。這意味著同一 個非即時訊號在進程的未決訊號資訊鏈中,至多佔有一個sigqueue結構(一個非即時訊號誕生後,(1)、如果發現相同的訊號已經在目標結構中註冊,則不再註冊,對於進程來說,相當於不知道本次訊號發生,訊號丟失;(2)、如果進程的未決訊號中沒有相同訊號,則在進程中註冊自己)。

  1. 訊號在進程中的登出。在目標進程執行過程中,會檢測是否有訊號等待處理(每次從系統空間返回到使用者空間時都做這樣的檢查)。如果 存在未決訊號等待處理且該訊號沒有被進程阻塞,則在運行相應的訊號處理函數前,進程會把訊號在未決訊號鏈中佔有的結構卸掉。是否將訊號從進程未決訊號集中 刪除對於即時與非即時訊號是不同的。對於非即時訊號來說,由於在未決訊號資訊鏈中最多隻佔用一個sigqueue結構,因此該結構被釋放後,應該把訊號在 進程未決訊號集中刪除(訊號登出完畢);而對於即時訊號來說,可能在未決訊號資訊鏈中佔用多個sigqueue結構,因此應該針對佔用sigqueue結
    構的數目區別對待:如果只佔用一個sigqueue結構(進程只收到該訊號一次),則應該把訊號在進程的未決訊號集中刪除(訊號登出完畢)。否則,不應該 在進程的未決訊號集中刪除該訊號(訊號登出完畢)。

    進程在執行訊號相應處理函數之前,首先要把訊號在進程中登出。
  2. 訊號生命終止。進程登出訊號後,立即執行相應的訊號處理函數,執行完畢後,訊號的本次發送對進程的影響徹底結束。

註:
1)訊號註冊與否,與發送訊號的函數(如kill()或sigqueue()等)以及訊號安裝函數(signal()及 sigaction())無關,只與訊號值有關(訊號值小於SIGRTMIN的訊號最多隻註冊一次,訊號值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之間的信 號,只要被進程接收到就被註冊)。

2)在訊號被登出到相應的訊號處理函數執行完畢這段時間內,如果進程又收到同一訊號多次,則對即時訊號來說,每一次都會在進程中註冊;而對於非即時訊號來說,無論收到多少次訊號,都會視為只收到一個訊號,只在進程中註冊一次。

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二、訊號編程注意事項

  1. 防止不該丟失的訊號丟失。如果對八中所提到的訊號生命週期理解深刻的話,很容易知道訊號會不會丟失,以及在哪裡丟失。
  2. 程式的可移植性
    考慮到程式的可移植性,應該盡量採用POSIX訊號函數,POSIX訊號函數主要分為兩類:

    • POSIX 1003.1訊號函數: Kill()、sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、sigismember()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()。
    • POSIX 1003.1b訊號函數。POSIX 1003.1b在訊號的即時性方面對POSIX 1003.1做了擴充,包括以下三個函數: sigqueue()、sigtimedwait()、sigwaitinfo()。 其中,sigqueue主要針對訊號發送,而sigtimedwait及sigwaitinfo()主要用於取代sigsuspend()函數,後面有相應執行個體。

#include <signal.h>

int sigwaitinfo(sigset_t *set, siginfo_t *info).

該函數與sigsuspend()類似,阻塞一個進程直到特定訊號發生,但訊號到來時不執行訊號處理函數,而是返回訊號值。因此為了避免執行相應的訊號處理函數,必須在調用該函數前,使進程屏蔽掉set指向的訊號,因此調用該函數的典型代碼是:

sigset_t newmask;

int rcvd_sig;

siginfo_t info;

sigemptyset(&newmask);

sigaddset(&newmask, SIGRTMIN);

sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL);

rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info)

if (rcvd_sig == -1) {

        ..

}

調用成功返回訊號值,否則返回-1。sigtimedwait()功能相似,只不過增加了一個進程等待的時間。

  1. 程式的穩定性。
    為了增強程式的穩定性,在訊號處理函數中應使用可重新進入函數。

訊號處理常式中應當使用可再入(可重新進入)函數(註:所謂可重新進入函數是指一個可以被多個任務調用的過程,任務在調用時不必擔心數 據是否會出錯)。因為進程在收到訊號後,就將跳轉到訊號處理函數去接著執行。如果訊號處理函數中使用了不可重新進入函數,那麼訊號處理函數可能會修改原來進程中不應該被修改的資料,這樣進程從訊號處理函數中返回接著執行時,可能會出現不可預料的後果。不可再入函數在訊號處理函數中被視為不安全函數。

滿足下列條件的函數多數是不可再入的:(1)使用靜態資料結構,如getlogin(),gmtime(),getgrgid(),getgrnam(),getpwuid()以及getpwnam()等等;(2)函數 實現時,調用了malloc()或者free()函數;(3)實現時使用了標準I/O函數的。The Open Group視下列函數為可再入的:

_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()。

即使訊號處理函數使用的都是"安全函數",同樣要注意進入處理函數時,首先要儲存errno的值,結束時,再恢複原值。因為, 訊號處理過程中,errno值隨時可能被改變。另外,longjmp()以及siglongjmp()沒有被列為可再入函數,因為不能保證緊接著兩個函數的其它調用是安全的。

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三、深入淺出:訊號應用執行個體

linux下的訊號應用並沒有想象的那麼恐怖,程式員所要做的最多隻有三件事情:

  1. 安裝訊號(推薦使用sigaction());
  2. 實現三參數訊號處理函數,handler(int signal,struct siginfo *info, void *);
  3. 發送訊號,推薦使用sigqueue()。

實際上,對有些訊號來說,只要安裝訊號就足夠了(訊號處理方式採用預設或忽略)。其他可能要做的無非是與訊號集相關的幾種操作。

執行個體一:訊號發送及處理
實現一個訊號接收程式sigreceive(其中訊號安裝由sigaction())。

#include <signal.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

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 error\n");

        }

       

        while(1)

        {

               sleep(2);

               printf("wait for the signal\n");

        }

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

        printf("receive signal %d", signum);

        sleep(5);

}

 

說明,命令列參數為訊號值,後台運行sigreceive signo &,可獲得該進程的ID,假設為pid,然後再另一終端上運行kill -s signo pid驗證訊號的發送接收及處理。同時,可驗證訊號的排隊問題。

註:可以用sigqueue實現一個命令列訊號發送程式sigqueuesend,見
附錄1。

執行個體二:訊號傳遞附加資訊
主要包括兩個執行個體:

  1. 向進程本身發送訊號,並傳遞指標參數;

#include <signal.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

int main(int argc,char**argv)

{

        struct sigaction act; 

        union sigval mysigval;

        int i;

        int sig;

        pid_t pid;            

        char data[10];

        memset(data,0,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;//三參數訊號處理函數

        act.sa_flags=SA_SIGINFO;//資訊傳遞開關

        if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)

        {

               printf("install sigal error\n");

        }

        while(1)

        {

               sleep(2);

               printf("wait for the signal\n");

               sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本進程發送訊號,並傳遞附加資訊

        }

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三參數訊號處理函數的實現

{

        int i;

        for(i=0;i<10;i++)

        {

               printf("%c\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i)));

        }

        printf("handle signal %d over;",signum);

}

 

這個例子中,訊號實現了附加資訊的傳遞,訊號究竟如何對這些資訊進行處理則取決於具體的應用。

  1. 2、 不同進程間傳遞整型參數:把1中的訊號發送和接收放在兩個程式中,並且在發送過程中傳遞整型參數。
    訊號接收程式:

#include <signal.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

int main(int argc,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,&act,NULL)<0)

        {

               printf("install sigal error\n");

        }

        while(1)

        {

               sleep(2);

               printf("wait for the signal\n");

        }

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)

{

        printf("the int value is %d \n",info->si_int);

}

 

訊號發送程式:命令列第二個參數為訊號值,第三個參數為接收進程ID。

#include <signal.h>

#include <sys/time.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

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;//不代表具體含義,只用於說明問題

        if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1)

               printf("send error\n");

        sleep(2);

}

 

註:執行個體2的兩個例子側重點在於用訊號來傳遞資訊,目前關於在linux下通過訊號傳遞資訊 的執行個體非常少,倒是Unix下有一些,但傳遞的基本上都是關於傳遞一個整數,傳遞指標的我還沒看到。我一直沒有實現不同進程間的指標傳遞(實際上更有意義),也許在實現方法上存在問題吧,請實現者email我。

執行個體三:訊號阻塞及訊號集操作

#include "signal.h"

#include "unistd.h"

static void my_op(int);

main()

{

        sigset_t new_mask,old_mask,pending_mask;

        struct sigaction act;

        sigemptyset(&act.sa_mask);

        act.sa_flags=SA_SIGINFO;

        act.sa_sigaction=(void*)my_op;

        if(sigaction(SIGRTMIN+10,&act,NULL))

               printf("install signal SIGRTMIN+10 error\n");

        sigemptyset(&new_mask);

        sigaddset(&new_mask,SIGRTMIN+10);

        if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask,&old_mask))

               printf("block signal SIGRTMIN+10 error\n");

        sleep(10);    

        printf("now begin to get pending mask and unblock SIGRTMIN+10\n");

        if(sigpending(&pending_mask)<0)

               printf("get pending mask error\n");

        if(sigismember(&pending_mask,SIGRTMIN+10))

               printf("signal SIGRTMIN+10 is pending\n");

        if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&old_mask,NULL)<0)

               printf("unblock signal error\n");

        printf("signal unblocked\n");

        sleep(10);

}

static void my_op(int signum)

{

        printf("receive signal %d \n",signum);

}

 

編譯該程式,並以後台方式運行。在另一終端向該進程發送訊號(運行kill -s 42 pid,SIGRTMIN+10為42),查看結果可以看出幾個關鍵函數的運行機制,訊號集相關操作比較簡單。

註:在上面幾個執行個體中,使用了printf()函數,只是作為診斷工具,pringf()函數是不可重新進入的,不應在訊號處理函數中使用。

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結束語:

系統地對linux訊號機制進行分析、總結使我受益匪淺!感謝王小樂等網友的支援!
Comments and suggestions are greatly welcome!

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附錄1:

用sigqueue實現的命令列訊號發送程式sigqueuesend,命令列第二個參數是發送的訊號值,第三個參數是接收該訊號的進程ID,可以配合執行個體一使用:

#include <signal.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

int main(int argc,char**argv)

{

        pid_t pid;

        int sig;

        sig=atoi(argv[1]);

        pid=atoi(argv[2]);

        sigqueue(pid,sig,NULL);

        sleep(2);

}

 

參考資料

  • linux核心原始碼情景分析(上),毛德操、胡希明著,浙江大學出版社,當要驗證某個結論、想法時,最好的參考資料;
  • UNIX環境進階編程,作者:W.Richard Stevens,譯者:尤晉元等,機械工業出版社。對訊號機制的發展過程闡述的比較詳細。
  • signal、sigaction、kill等手冊,最直接而可靠的參考資料。
  • http://www.linuxjournal.com/modules.php?op=modload&name=NS-help&file=man提供了許多系統調用、庫函數等的線上指南。
  • http://www.opengroup.org/onlinepubs/007904975/可以在這裡對許多關鍵函數(包括系統調用)進行查詢,非常好的一個網址。
  • http://unix.org/whitepapers/reentrant.html對函數可重新進入進行了闡述。
  • http://www.uccs.edu/~compsvcs/doc-cdrom/DOCS/HTML/APS33DTE/DOCU_006.HTM對即時訊號給出了相當好的描述。

關於作者

鄭彥興,國防科大攻讀博士學位。連絡方式:
mlinux@163.com.

 

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