【lesson51】信号之信号处理

文章目录

信号处理
可重入函数
volatile
SIGCHLD信号

信号处理

信号产生之后，信号可能无法被立即处理，一般在合适的时候处理。
1.在合适的时候处理（是什么时候？）
信号相关的数据字段都是在进程PCB内部。
而进程工作的状态一般如下：
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在内核态中，从内核态返回用户态的时候，进行信号检测和处理！

我们为什么会进入内核态？
进行系统调用，有一些缺陷、陷阱等！

怎么进入内核态？
使用int 80----->一般内置在系统调用函数中。

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每个进程都有1GB的内核地址空间给内核用，那么内核如何用？
内核也是在进程地址空间上下文中run的。

那么可以执行进程切换的代码吗？
可以

进程凭什么有权利执行OS的系统接口代码呢？
凭的是我们处于内核态还是用户态！

CPU的寄存器有2套，一套可见，一套不可见自用！
自用寄存器CR3---->表示当前CPU的执行权限1.内核态 3.用户态
int 80---->从用户态进入内核态

2.信号处理的整个流程
为什么要从用户态进入内核态？
怎么从用户态进入内核态？
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内核如何实现信号的捕捉
如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

信号操作
sigaction：
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介绍函数：
sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:

将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。

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代码：
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运行结果：

处理信号的时候，执行自定义动作，如果处理信号期间，有来了同样的信号呢？OS会如何处理？
结论：
当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。 sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数,本章不详细解释这两个字段,有兴趣的同学可以在了解一下。
sa_flags：
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验证上面结论：
代码：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void showPending(sigset_t& pending)
{
    for(int sig = 1; sig <= 31; sig++)
    {
        if(sigismember(&pending,sig))
        {
            std::cout << "1";
        }
        else
        {
            std::cout << "0";
        }
    }

    std::cout << std::endl;
    
}
void handler(int signum)
{
    std::cout << "获取到一个信号: " << signum << std::endl;
    std::cout << "获取到一个信号: " << signum << std::endl;

    sigset_t pending;
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        sigpending(&pending);
        showPending(pending);
        if(cnt == 10)
        {
            break;
        }

        cnt++;
        sleep(1);
    }
}
int main()
{

    signal(2, SIG_DFL);
    struct sigaction act;
    struct sigaction oact;

    //初始化相关信号信息
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_handler = handler;

    // 设置进当前调用进程的pcb中
    sigaction(2,&act,&oact);
    std::cout << "default action : " << (int)(oact.sa_handler) << std::endl;

    while (true)
        sleep(1);
    return 0;
}

运行结果：
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所以验证了当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么它会被阻塞到当前处理结束为止。

可重入函数

不可重入函数：不可重入函数，重入时会发生的问题
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main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1,插入操作分为两步,刚做完第一步时候,因为硬件中断使进程切换到内核,再次回用户态之前检查到有信号待处理,于是切换到sighandler函数,sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2,插入操作两步都做完之后从sighandler返回内核态,再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行,先前做第一步之后被打断,现在继续做完第二步。结果是,main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点,而最后只有一个节点真正插入链表中了。

像上例这样,insert函数被不同的控制流程调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称为重入,insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为不可重入函数,反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入(Reentrant) 函数。想一下,为什么两个不同的控制流程调用同一个函数,访问它的同一个局部变量或参数就不会造成错乱?

可重入函数和不可重入函数都是函数的一种特征，目前90%都是可重入函数。

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

volatile

该关键字在C当中我们已经有所涉猎，今天我们站在信号的角度重新理解一下
我们看下面的代码：
在这里插入图片描述
运行代码：

这里我们发现进行正常退出。
但是如果我们把编译器的优化等级提升到最高呢？

运行代码：

我们发现进程一直死循环不会退出，但是我们不是更改了flag值吗？
因为编译器有时候会自动给我们进行代码，优化这样就不会去内存读取修改后的flag还是一直用之前的flag。
volatile字段就是让编译器不要优化这个flag，还是继续向内存读取flag。

优化情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1 ，但是 while 条件依旧满足,进程继续运行！但是很明显flag肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显， while 循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。 while 检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。如何解决呢？很明显需要 volatile

在这里插入图片描述
运行代码：

volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作

SIGCHLD信号

之前讲过用wait和waitpid函数清理僵尸进程,父进程可以阻塞等待子进程结束,也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。采用第一种方式,父进程阻塞了就不能处理自己的工作了;采用第二种方式,父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下,程序实现复杂。

其实子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号,该信号的默认处理动作是忽略,父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数,这样父进程只需专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程终止时会通知父进程,父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。

事实上,由于UNIX的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证在其它UNIX系统上都可用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程。

子进程退出会向父进程发送SIGCHLD信号。
证明：
在这里插入图片描述
运行结果：

如果父进程不关心子进程的任何退出情况，直接设置默认动作为SIG_IGN
在这里插入图片描述

那么接下来我们父进程就可以不用阻塞式或者非阻塞式的等待进程了，可以执行自己的代码，等待收到信号了，再去处理进程。
demo代码

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <wait.h>

void handler(int sig)
{
    pid_t id;
    while ((id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0)
    {
        printf("wait child success: %d\n", id);
    }
    printf("child is quit! %d\n", getpid());
}
int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t cid;
    if ((cid = fork()) == 0)
    { // child
        printf("child : %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
    }
    while (1)
    {
        printf("father proc is doing some thing!\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}