一、信號

1． 基本概念

信號是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬,在原理上,一個進程收到一個信號與處理器收到一個中斷請求可以說是一樣的。信號是異步的,一個進程不必通過任何操作來等待信號的到達,事實上,進程也不知道信號到底什么時候到達。

例如鍵盤輸入中斷按鍵(^C),它的發(fā)生在程序執(zhí)行過程中是不可預測的。

信號是進程間通信機制中唯一的異步通信機制,可以看作是異步通知,通知接收信號的進程有哪些事情發(fā)生了。

硬件異常也能產生信號,例如被零除、無效內存引用(test里產生的就是這種錯誤)等。這些條件通常先由內核硬件檢測到,然后通知內核。內核將決定產生什么樣的信號。

同一個信號的額外發(fā)生通常不會被排隊。如果信號在被阻塞時發(fā)生了5次,當我們反阻塞這個信號時,這個信號的信號處理函數通常只被調用一次。

同一時刻只能處理一個信號,在信號處理函數發(fā)信號給自己時,該信號會被pending。

信號的數值越小,則優(yōu)先級越高。當進程收到多個待處理信號時,總是先處理優(yōu)先級別高的信號。

信號處理函數的�？梢允褂帽恢袛嗟囊部梢允褂锚毩⒌�,具體可以通過系統(tǒng)調用設置。

信號機制經過POSIX實時擴展后,功能更加強大,除了基本通知功能外,還可以傳遞附加信息。

2． 處理方式

忽略:接收到信號后不做任何反應。捕獲:用自定義的信號處理函數來執(zhí)行特定的動作。默認:接收到信號后按系統(tǒng)默認的行為處理該信號。這是多數應用采取的處理方式。

二、Linux下的信號類型

使用kill -l就會顯示出linux支持的信號列表。

其中列表中,編號為1 ～ 31的信號為傳統(tǒng)UNIX支持的信號,是不可靠信號(非實時的),編號為32 ～ 63的信號是后來擴充的,稱做可靠信號(實時信號)。不可靠信號和可靠信號的區(qū)別在于前者不支持排隊,可能會造成信號丟失,而后者不會。

下面我們對編號小于SIGRTMIN的信號進行討論(下面的編號 依次對應信號 的數值為1 - 31)。

1) SIGHUP

本信號在用戶終端連接(正�；蚍钦�常)結束時發(fā)出, 通常是在終端的控制進程結束時, 通知同一session內的各個作業(yè), 這時它們與控制終端不再關聯。

登錄Linux時,系統(tǒng)會分配給登錄用戶一個終端(Session)。在這個終端運行的所有程序,包括前臺進程組和后臺進程組,一般都 屬于這個 Session。當用戶退出Linux登錄時,前臺進程組和后臺有對終端輸出的進程將會收到SIGHUP信號。這個信號的默認操作為終止進程,因此前臺進 程組和后臺有終端輸出的進程就會中止。不過可以捕獲這個信號,比如wget能捕獲SIGHUP信號,并忽略它,這樣就算退出了Linux登錄,wget也 能繼續(xù)下載。

此外,對于與終端脫離關系的守護進程,這個信號用于通知它重新讀取配置文件。

2) SIGINT

程序終止(interrupt)信號, 在用戶鍵入INTR字符(通常是Ctrl-C)時發(fā)出,用于通知前臺進程組終止進程。

3) SIGQUIT

和SIGINT類似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)來控制． 進程在因收到SIGQUIT退出時會產生core文件, 在這個意義上類似于一個程序錯誤信號。

4) SIGILL

執(zhí)行了非法指令． 通常是因為可執(zhí)行文件本身出現錯誤, 或者試圖執(zhí)行數據段． 堆棧溢出時也有可能產生這個信號。

5) SIGTRAP

由斷點指令或其它trap指令產生． 由debugger使用。

6) SIGABRT

調用abort函數生成的信號。

7) SIGBUS

非法地址, 包括內存地址對齊(alignment)出錯。比如訪問一個四個字長的整數, 但其地址不是4的倍數。它與SIGSEGV的區(qū)別在于后者是由于對合法存儲地址的非法訪問觸發(fā)的(如訪問不屬于自己存儲空間或只讀存儲空間)。

8) SIGFPE

在發(fā)生致命的算術運算錯誤時發(fā)出． 不僅包括浮點運算錯誤, 還包括溢出及除數為0等其它所有的算術的錯誤。

9) SIGKILL

用來立即結束程序的運行． 本信號不能被阻塞、處理和忽略。如果管理員發(fā)現某個進程終止不了,可嘗試發(fā)送這個信號。

10) SIGUSR1

留給用戶使用

11) SIGSEGV

試圖訪問未分配給自己的內存, 或試圖往沒有寫權限的內存地址寫數據．

信號 11,即表示程序中可能存在特定條件下的非法內存訪問。

12) SIGUSR2

留給用戶使用

13) SIGPIPE

管道破裂。這個信號通常在進程間通信產生,比如采用FIFO(管道)通信的兩個進程,讀管道沒打開或者意外終止就往管道寫,寫進程會收到SIGPIPE信號。此外用Socket通信的兩個進程,寫進程在寫Socket的時候,讀進程已經終止。

14) SIGALRM

時鐘定時信號, 計算的是實際的時間或時鐘時間． alarm函數使用該信號．

15) SIGTERM

程序結束(terminate)信號, 與SIGKILL不同的是該信號可以被阻塞和處理。通常用來要求程序自己正常退出,shell命令kill缺省產生這個信號。如果進程終止不了,我們才會嘗試SIGKILL。

17) SIGCHLD

子進程結束時, 父進程會收到這個信號。

如果父進程沒有處理這個信號,也沒有等待(wait)子進程,子進程雖然終止,但是還會在內核進程表中占有表項,這時的子進程稱為僵尸 進程。這種情 況我們應該避免(父進程或者忽略SIGCHILD信號,或者捕捉它,或者wait它派生的子進程,或者父進程先終止,這時子進程的終止自動由init進程 來接管)。

18) SIGCONT

讓一個停止(stopped)的進程繼續(xù)執(zhí)行． 本信號不能被阻塞． 可以用一個handler來讓程序在由stopped狀態(tài)變?yōu)槔^續(xù)執(zhí)行時完成特定的工作． 例如, 重新顯示提示符

19) SIGSTOP

停止(stopped)進程的執(zhí)行． 注意它和terminate以及interrupt的區(qū)別:該進程還未結束, 只是暫停執(zhí)行． 本信號不能被阻塞, 處理或忽略．

20) SIGTSTP

停止進程的運行, 但該信號可以被處理和忽略． 用戶鍵入SUSP字符時(通常是Ctrl-Z)發(fā)出這個信號

21) SIGTTIN

當后臺作業(yè)要從用戶終端讀數據時, 該作業(yè)中的所有進程會收到SIGTTIN信號． 缺省時這些進程會停止執(zhí)行．

22) SIGTTOU

類似于SIGTTIN, 但在寫終端(或修改終端模式)時收到．

23) SIGURG

有"緊急"數據或out-of-band數據到達socket時產生．

24) SIGXCPU

超過CPU時間資源限制． 這個限制可以由getrlimit/setrlimit來讀取/改變。

25) SIGXFSZ

當進程企圖擴大文件以至于超過文件大小資源限制。

26) SIGVTALRM

虛擬時鐘信號． 類似于SIGALRM, 但是計算的是該進程占用的CPU時間．

27) SIGPROF

類似于SIGALRM/SIGVTALRM, 但包括該進程用的CPU時間以及系統(tǒng)調用的時間．

28) SIGWINCH

窗口大小改變時發(fā)出．

29) SIGIO

文件描述符準備就緒, 可以開始進行輸入/輸出操作．

30) SIGPWR

Power failure

31) SIGSYS

非法的系統(tǒng)調用。

三、 信號行為說明

不通的信號在不同的標準下,功能有所差別,下面列出主要的信號的默認行為和說明:

名稱數字標準默認行為說明SIGILL4ANSI終止+coredump執(zhí)行了非法指令． 通常是因為可執(zhí)行文件本身出現錯誤, 或者試圖執(zhí)行數據段． 堆棧溢出時也有可能產生這個信號SIGABRT6ANSI終止+coredump調用abort函數生成的信號SIGBUS74．2 BSD終止+coredump非法地址, 包括內存地址對齊(alignment)出錯。比如訪問一個四個字長的整數, 但其地址不是4的倍數。它與SIGSEGV的區(qū)別在于后者是由于對合法存儲地址的非法訪問觸發(fā)的(如訪問不屬于自己存儲空間或只讀存儲空間)SIGFPE8ANSI終止+coredump在發(fā)生致命的算術運算錯誤時發(fā)出． 不僅包括浮點運算錯誤, 還包括溢出及除數為0等其它所有的算術的錯誤SIGSEGV11ANSI終止+coredump試圖訪問未分配給自己的內存, 或試圖往沒有寫權限的內存地址寫數據。訪問空指針,野指針基本都產生這個信號,也是最常見的信號SIGSTKFLT16N/A終止堆棧錯誤SIGPIPE13POSIX終止管道破裂。這個信號通常在進程間通信產生,比如采用FIFO(管道)通信的兩個進程,讀管道沒打開或者意外終止就往管道寫,寫進程會收到SIGPIPE信號。

此外用Socket通信的兩個進程,寫進程在寫Socket的時候,讀進程已經終止SIGTRAP5POSIX終止+coredump由斷點指令或其它trap指令產生． 由debugger使用SIGHUP1POSIX終止用戶終端連接(正常或非正常)結束時發(fā)出, 通常是在終端的控制進程結束時, 通知同一session內的各個作業(yè), 這時它們與控制終端不再關聯SIGINT2ANSI終止程序終止(interrupt)信號, 在用戶鍵入INTR字符(通常是Ctrl-C)時發(fā)出,用于通知前臺進程組終止進程SIGQUIT3POSIX終止+coredump和SIGINT類似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)來控制． 進程在因收到SIGQUIT退出時會產生core文件, 在這個意義上類似于一個程序錯誤信號SIGKILL9POSIX終止用來立即結束程序的運行． 本信號不能被阻塞、捕獲和忽略。如果管理員發(fā)現某個進程終止不了,可嘗試發(fā)送這個信號SIGCHLD17POSIX忽略子進程結束時, 父進程會收到這個信號。如果父進程沒有處理這個信號,也沒有等待(wait)子進程,子進程雖然終止,但是還會在內核進程表中占有表項,這時的子進程稱為僵尸進程。

這種情 況我們應該避免(父進程或者忽略SIGCHILD信號,或者捕捉它,或者wait它派生的子進程,或者父進程先終止,這時子進程的終止自動由init進程來接管)SIGCONT18POSIX繼續(xù)/忽略讓一個停止(stopped)的進程繼續(xù)執(zhí)行． 本信號不能被阻塞 ． 可以用一個handler來讓程序在由stopped狀態(tài)變?yōu)槔^續(xù)執(zhí)行時完成特定的工作． 例如, 重新顯示提示符．．在進程掛起時是繼續(xù),否則是忽略SIGSTOP19POSIX暫停暫停進程的執(zhí)行． 注意它和terminate以及interrupt的區(qū)別:該進程還未結束, 只是暫停執(zhí)行． 本信號不能被阻塞、捕獲或忽略SIGALRM14POSIX終止時鐘定時信號, 計算的是實際的時間或時鐘時間． alarm函數使用該信號四、信號分類

在以上列出的信號中,程序不可捕獲、阻塞或忽略的信號有:

SIGKILL,SIGSTOP

不能恢復至默認動作的信號有:

SIGILL,SIGTRAP

默認會導致進程流產的信,有:

SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ

默認會導致進程退出的信號有:

SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2,SIGVTALRM

默認會導致進程停止的信號有:

SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU

默認進程忽略的信號有:

SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH

此外,SIGIO在SVR4是退出,在4．3BSD中是忽略;

SIGCONT在進程掛起時是繼續(xù),否則是忽略,不能被阻塞

終止程序的時候在不得已的情況下不能用SIGKILL,因為SIGKILL不會對子進程進行處理,只是把對自己進行處理。

五、信號驅動IO-SIGIO-29

下面我們主要講SIGIO-29的使用。

參考上圖:

時刻1 通過sigaction系統(tǒng)調用建立信號SIGIO的信號處理函數,該函數壺立即返回,注意,對應的驅動必須支持方法．fastnc時刻2 數據此時沒有準備好,應進程會繼續(xù)執(zhí)行,而內核會繼續(xù)等待數據,也就是說等待數據階段應用進程是非阻塞的。時刻3 內核準備好了數據,要向應用進程復制數據,通過函數kill_fasync()向應用程序遞交SIGIO信號,二應用程序的信號處理程序會被調用到,在該函數中我們可以通過read等系統(tǒng)調用從內核賦值程序到進程時刻4 在賦值數據期間,進程阻塞時刻5 數據復制完成,會返回成功的指示,應用程序可以繼續(xù)處理數據

信號驅動 I/O 的 CPU 利用率很高,因為在圖中,等待數據的那段時間2,應用程序可以繼續(xù)執(zhí)行其他操作。

六、程序實現

1． 信號注冊函數signal()#include

功能:

給信號signum注冊處理函數,函數原型是void (*sighandler_t)(int)
當收到信號signum后,就會調用注冊的函數

參數:

int signum  信號值
sighandler_t handler  信號處理函數
2．內核函數void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

功能:

發(fā)送信號sig給進程,通知進程是可讀還是可寫,由band給出
POLLIN    :可讀
POLLOUT:可寫

通用字符設備的．fasync方法,一般都是固定的寫法,我們暫時可以不用關心他的原理,會用即可,具體寫法如下:

static ssize_t hello_write (struct file *filep, const char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
int error;
…………
kill_fasync(&hello_fasync,SIGIO,POLLIN);
return size;
}
static struct file_operations hello_ops =
{
…………
．fasync = hello_fasync_func,
};
2． 源程序

驅動程序:hello．c

 
*公眾號:一口Linux
*2021．6．21
*version: 1．0．0
#include

write．c

 
*一口Linux
*2021．6．21
*version: 1．0．0
#include

test．c

 
*公眾號:一口Linux
*2021．6．21
*version: 1．0．0
#include

編譯

make
gcc test．c -o run
gcc write．c -o run

執(zhí)行:

insmod hello．ko

先開啟一個終端 ,執(zhí)行

．/run

再開啟一個終端 ,執(zhí)行

．/w

執(zhí)行結果如下:

可以看到,寫入數據后,信號處理程序被調用到,并且打印出信號的值29,同時從驅動力讀取出數據。

本例以字符設備為基礎來實現,詳細原理,請參考博主其他文章。