此為牛客Linux C++和黑馬Linux系統編程課程筆記。

文章目錄

• 0. 信號的概念
• 1. Linux信號一覽表
• 2. 信號相關函數
• 3. kill函數
• 4. raise函數
• 5. abort函數
• 6. alarm函數
• 7. setitimer函數
• 8. signal函數
• 9. 信號集
• 10. 自定義信號集相關函數
• 11. sigprocmask函數
• 12. sigpending函數
• 13. sigaction函數
• 14. 內核實現信號捕捉過程

0. 信號的概念

A給B發送信號，B收到信號之前執行自己的代碼，收到信號后，不管執行到程序的什么位置，都要暫停運行，去處理信號，處理完畢再繼續執行。與硬件中斷類似——異步模式。但信號是軟件層面上實現的中斷，早期常被稱為“軟中斷”。

信號的特質：由于信號是通過軟件方法實現，其實現手段導致信號有很強的延時性。但對于用戶來說，這個延遲時間非常短，不易察覺。

每個進程收到的所有信號，都是由內核負責發送的，內核處理。

1. Linux信號一覽表

紅色為重點掌握的信號

2. 信號相關函數

3. kill函數

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

功能：給任何的進程或者進程組pid, 發送任何的信號 sig

參數：

• pid ：

< 0 : 將信號發送給指定的進程
= 0 : 將信號發送給當前的進程組
= -1 : 將信號發送給每一個有權限接收這個信號的進程
< -1 : 這個pid=某個進程組的ID取反 （-12345）

• sig : 需要發送的信號的編號或者是宏值，0表示不發送任何信號

如kill(getppid(), 9);能夠殺死父進程；kill(getpid(), 9);能夠殺死當前進程。

4. raise函數

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

功能：給當前進程發送信號；

參數：sig : 要發送的信號；

返回值：成功 0， 失敗 非0。

相當于kill(getpid(), sig);

5. abort函數

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

功能： 發送SIGABRT（編號為6）信號給當前的進程，殺死當前進程；

相當于kill(getpid(), SIGABRT);或raise(SIGBRT);。

6. alarm函數

設置定時器(鬧鐘)。在指定seconds后，內核會給當前進程發送14）SIGALRM信號。進程收到該信號，默認動作終止。

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

功能：設置定時器（鬧鐘）。函數調用，開始倒計時，當倒計時為0的時候，函數會給當前的進程發送一個信號：SIGALARM。

參數：seconds: 倒計時的時長，單位：秒。如果參數為0，定時器無效（不進行倒計時，不發信號）。

返回值：

• 之前沒有定時器，返回0
• 之前有定時器，返回之前的定時器剩余的時間

常用：使用alarm(0)取消定時器，返回舊鬧鐘余下秒數。

每個進程都有且只有唯一個定時器。 比如：進程先執行了alarm(10)，2秒后又執行了一個alarm(5)，alarm(5)的返回值是8，因為之前有定時器，返回的是之前定時器的剩余時間。然后從現在起該進程還是只有一個定時器，定時5秒，因為后來的定時器會刷新之前的定時器。

注意，alarm定時是與與進程狀態無關(自然定時法)！就緒、運行、掛起(阻塞、暫停)、終止、僵尸…無論進程處于何種狀態，alarm都計時。

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; }

用定時器讓程序執行1s后停止。
我們用time ./alarm來查看該程序的運行時間：

可以看到實際運行時間幾乎是1秒，但是發現用戶時間和系統時間加起來與總的運行時間不同，這是為什么呢。

實際執行時間 = 系統時間 + 用戶時間 + 等待時間。程序的很多時間浪費在printf上了。

7. setitimer函數

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

功能：設置定時器（鬧鐘）。可以替代alarm函數。精度微妙us，可以實現周期性定時。

參數：

• which : 定時器以什么時間計時，有以下三種參數，一般用第一種自然定時。
  ITIMER_REAL: 真實時間（自然定時），時間到達發送 SIGALRM 常用
  ITIMER_VIRTUAL: 用戶時間，時間到達發送 SIGVTALRM
  ITIMER_PROF: 以該進程在用戶態和內核態下所消耗的時間來計算，時間到達發送 SIGPROF
• new_value: 設置定時器的屬性

struct itimerval { // 定時器的結構體struct timeval it_interval; // 每個階段的時間，間隔時間struct timeval it_value; // 延遲多長時間執行定時器 };struct timeval { // 時間的結構體time_t tv_sec; // 秒數 suseconds_t tv_usec; // 微秒 };

• old_value ：記錄上一次的定時的時間參數，一般不使用，指定NULL

如以下示例程序能夠實現延遲3秒，每2秒發送一次信號。

#include <sys/time.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h>// 過3秒以后，每隔2秒鐘定時一次 int main() {struct itimerval new_value;// 設置間隔的時間new_value.it_interval.tv_sec = 2;new_value.it_interval.tv_usec = 0;// 設置延遲的時間,3秒之后開始第一次定時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("定時器開始了...\n");if(ret == -1) {perror("setitimer");exit(0);}getchar();return 0; }

由于還沒有介紹signal信號捕捉函數，setitimer發出的信號讓程序終止，所以無法演示其周期性發送信號的功能，接下來介紹signal函數。

8. signal函數

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

功能：設置某個信號的捕捉行為

注意：并不是該函數來捕捉信號，該函數只是向內核注冊對某個信號的捕捉行為。

參數：

• signum: 要捕捉的信號
• handler: 捕捉到信號要如何處理，可以有以下三種參數：
  - SIG_IGN ： 忽略信號
  - SIG_DFL ： 使用信號默認的行為
  - 回調函數 : 這個函數是內核調用，程序員只負責寫，捕捉到信號后如何去處理信號。

回調函數：
- 需要程序員實現，提前準備好的，函數的類型根據實際需求，看函數指針的定義
- 不是程序員調用，而是當信號產生，由內核調用
- 函數指針是實現回調的手段，函數實現之后，將函數名放到函數指針的位置就可以了。

返回值：

• 成功，返回上一次注冊的信號處理函數的地址。第一次調用返回NULL
• 失敗，返回SIG_ERR，設置錯誤號

注意：SIGKILL 和 SIGSTOP不能被捕捉，不能被忽略。

在setitimer的示例代碼中加入signal后，示例代碼如下：

void myfunc(int num) {printf("捕捉到了信號的編號是：%d\n", num);printf("xxxxxxx\n"); }// 過3秒以后，每隔2秒鐘定時一次 int main() {// 注冊信號捕捉// signal(SIGALRM, SIG_IGN);// signal(SIGALRM, SIG_DFL);// void (*sighandler_t)(int); 函數指針，int類型的參數表示捕捉到的信號的值。signal(SIGALRM, myfunc);struct itimerval new_value;// 設置間隔的時間new_value.it_interval.tv_sec = 2;new_value.it_interval.tv_usec = 0;// 設置延遲的時間,3秒之后開始第一次定時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("定時器開始了...\n");if(ret == -1) {perror("setitimer");exit(0);}getchar();return 0; }

signal的第二個參數傳入函數地址，當當前進程捕捉到SIGALRM信號時，將執行程序員自定義的myfunc函數，myfun函數的int類型參數是捕捉到的信號的值（編號）。
程序運行結果如下：

程序運行3秒后第一次發出信號，程序輸出一次，然后每隔2秒發出一次信號。

9. 信號集

一個進程的PCB中除了包含進程id，狀態，工作目錄，用戶id，組id，文件描述符表，還包含了信號相關的信息，主要指阻塞信號集和未決信號集。

阻塞信號集(信號屏蔽字)： 將某些信號加入集合，對他們設置屏蔽，當屏蔽x信號后，再收到該信號，該信號的處理將推后(解除屏蔽后)

未決信號集:

• 信號產生，未決信號集中描述該信號的位立刻翻轉為1，表信號處于未決狀態。當信號被處理對應位翻轉回為0。這一時刻往往非常短暫。
• 信號產生后由于某些原因(主要是阻塞)不能抵達。這類信號的集合稱之為未決信號集。在屏蔽解除前，信號一直處于未決狀態。
  
  信號集本質上是一個64位的二進制數，其每一位的0或1代表著該位序號對應的信號的狀態。
  
  當信號產生時，PCB中未決信號集中的該位立即置為1，然后去阻塞信號集的同樣位置查看是否為1，如果阻塞信號集的對應位置也為1，說明該信號要阻塞，未決信號集的該位置保持1不變；直到阻塞解除，這個信號就被處理。

10. 自定義信號集相關函數

以下信號集相關的函數都是對自定義的信號集進行操作。

int sigemptyset(sigset_t *set);

• 功能：清空信號集中的數據,將信號集中的所有的標志位置為0
• 參數：set,傳出參數，需要操作的信號集
• 返回值：成功返回0， 失敗返回-1

int sigfillset(sigset_t *set);

• 功能：將信號集中的所有的標志位置為1
• 參數：set：傳出參數，需要操作的信號集
• 返回值：成功返回0， 失敗返回-1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

• 功能：設置信號集中的某一個信號對應的標志位為1，表示阻塞這個信號
• 參數：
  - set：傳出參數，需要操作的信號集
  - signum：需要設置阻塞的那個信號
• 返回值：成功返回0， 失敗返回-1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

• 功能：設置信號集中的某一個信號對應的標志位為0，表示不阻塞這個信號
• 參數：
  - set：傳出參數，需要操作的信號集
  - signum：需要設置不阻塞的那個信號
• 返回值：成功返回0， 失敗返回-1

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

• 功能：判斷某個信號是否阻塞
• 參數：
  - set：需要操作的信號集
  - signum：需要判斷的那個信號
• 返回值：
  1 ： signum被阻塞
  0 ： signum不阻塞
  -1 ： 失敗

一個用到以上函數的示例程序如下：

#include <signal.h> #include <stdio.h>int main() {// 創建一個信號集sigset_t set;// 清空信號集的內容sigemptyset(&set);// 判斷 SIGINT 是否在信號集 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");}// 添加幾個信號到信號集中sigaddset(&set, SIGINT);sigaddset(&set, SIGQUIT);// 判斷SIGINT是否在信號集中ret = sigismember(&set, SIGINT);if(ret == 0) {printf("SIGINT 不阻塞\n");} else if(ret == 1) {printf("SIGINT 阻塞\n");}// 判斷SIGQUIT是否在信號集中ret = sigismember(&set, SIGQUIT);if(ret == 0) {printf("SIGQUIT 不阻塞\n");} else if(ret == 1) {printf("SIGQUIT 阻塞\n");}// 從信號集中刪除一個信號sigdelset(&set, SIGQUIT);// 判斷SIGQUIT是否在信號集中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函數

之前的信號集函數均是對自定義的信號集進行操作，那如何修改內核中的阻塞信號集呢？可以使用sigprocmask函數，用自定義的信號集設置內核阻塞信號集。

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

功能：將自定義信號集中的數據設置到內核中（設置阻塞，解除阻塞，替換）。

參數：

• how : 如何對內核阻塞信號集進行處理，有以下可選參數：

SIG_BLOCK: 將用戶設置的阻塞信號集添加到內核中，內核中原來的數據不變（假設內核中默認的阻塞信號集是mask， mask | set）。

SIG_UNBLOCK: 根據用戶設置的數據，對內核中的數據進行解除阻塞（相當于 mask = mask & ~set）。

SIG_SETMASK: 用set覆蓋內核中原來的值。

• set ：已經初始化好的用戶自定義的信號集
• oldset : 保存設置之前的內核中的阻塞信號集的狀態，可以是 NULL。

返回值： 成功：0 ；失敗：-1，并設置錯誤號。

12. sigpending函數

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

功能：獲取內核中的未決信號集。

參數：set，傳出參數，保存的是內核中的未決信號集中的信息。

13. sigaction函數

sigaction函數通常用于替代signal函數，用來捕捉信號，同時自定義信號的處理動作。

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

功能：檢查或者改變信號的處理。信號捕捉。

參數：

• signum : 需要捕捉的信號的編號或者宏值（信號的名稱）
• act ：捕捉到信號之后的處理動作
• oldact : 上一次對信號捕捉相關的設置，一般不使用，傳NULL即可

返回值： 成功 0 失敗 -1

其中參數act的類型sigaction結構體定義如下：

struct sigaction {// 函數指針，指向的函數就是信號捕捉到之后的處理函數void (*sa_handler)(int);// 不常用void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);// 臨時阻塞信號集，在信號捕捉函數執行過程中，臨時阻塞某些信號。sigset_t sa_mask;// 使用哪一個信號處理對捕捉到的信號進行處理// 這個值可以是0，表示使用sa_handler,也可以是SA_SIGINFO表示使用sa_sigactionint sa_flags;// 被廢棄掉了void (*sa_restorer)(void);};

其中sa_sigaction和sa_restorer我們基本用不到，所以掌握以下三個即可：
① sa_handler：指定信號捕捉后的處理函數名(即注冊函數)。也可賦值為SIG_IGN表忽略 或 SIG_DFL表執行默認動作。
② sa_mask: 調用信號處理函數時，所要屏蔽的信號集合(信號屏蔽字)。注意：僅在處理函數被調用期間屏蔽生效，是臨時性設置。
③ sa_flags：通常設置為0，表使用默認屬性。

該函數與signal函數最大的區別就在于sa_mask上，sa_mask是程序員自定義的一個信號集，該信號集充當調用信號處理函數時的一個臨時的阻塞信號集，也就是說：

進程正常運行時，默認PCB中有一個信號屏蔽字（阻塞信號集），假定為☆，它決定了進程自動屏蔽哪些信號。當注冊了某個信號捕捉函數，捕捉到該信號以后，要調用該函數。而該函數有可能執行很長時間，在這期間所屏蔽的信號不由☆來指定。而是用sa_mask來指定。調用完信號處理函數，再恢復為☆。

示例程序如下：

#include <sys/time.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h>void catchFunc(int signo) {printf("捕捉到了信號：%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); // 想要在捕捉函數中屏蔽SIGQUIT信號int res = sigaction(SIGINT, &act, NULL);if(res == -1) {perror("sigaction error");exit(1);}while(1);return 0; }

執行結果如下：
每次在終端輸入ctrl+c（產生SIGINT信號）時，輸出：捕捉到了信號2。

當在鍵盤中輸入ctrl+\（產生SIGQUIT）時， 程序退出。那么有個問題，程序中不是已經設置了sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT);來屏蔽信號了嗎？為什么輸入ctrl+\時， 程序依然會退出？是因為sigaction函數設置的sa_mask只在信號處理函數執行中生效，輸出語句后信號處理函數以及執行完畢。

再看下面示例程序：該程序讓信號處理函數睡眠10秒。

#include <sys/time.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h> #include <unistd.h>void catchFunc(int signo) {printf("捕捉到了信號：%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); // 想要在捕捉函數中屏蔽SIGQUIT信號int res = sigaction(SIGINT, &act, NULL);if(res == -1) {perror("sigaction error");exit(1);}return 0; }

運行程序后，輸入ctrl+c，終端輸出如下：

此時10秒以內，依然在執行信號捕捉函數catchFunc，也就是說當前sa_mask是生效的。此時我們輸入crtl+\：

程序并沒有退出，因為此時sa_mask中屏蔽了SIGQUIT信號。等待10秒過后：

發現程序自動退出，這是因為10秒過后信號捕捉函數catchFunc執行完畢，臨時的阻塞信號集（sa_mask）失效，此時生效的是原PCB中的阻塞信號集，未決信號集（SIGQUIT處的值為1）查詢到后阻塞信號集中SIGQUIT處的值是0后，SIGQUIT信號遞達，程序退出。

這里還有一個值得注意的細節：

當信號捕捉函數catchFunc執行時，我輸入了多個ctrl+c后，信號捕捉函數執行完畢后，只輸出了一個“捕捉到了信號：2”，這是因為我們無論向當前進程發出多少個相同信號，未決信號集的對應位都是1，無法記錄相同信號的數量，所以當臨時阻塞信號集被取消后，只輸出了一個“捕捉到了信號：2”。有以下結論：

阻塞的常規信號不支持排隊，產生多次只記錄一次。（后32個實時信號支持排隊）。

14. 內核實現信號捕捉過程

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux系统编程学习】信号、信号集以其相关函数的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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