Linux下IPC方式之信號1

1. 信號的基本屬性

1.1 信號的特點

簡單，不能攜帶大量信息，滿足特定條件發生，信號也叫軟中斷，有可能會有延遲。

1.2 信號的機制

信號實際上是由內核發送，內核來處理收到的信號。收到信號的進程，必須對信號做出處理（忽略，捕獲，默認動作都行）

1.3 信號的產生

1. 按鍵產生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\
2. 系統調用產生，如：kill、raise、abort
3. 軟件條件產生，如：定時器alarm
4. 硬件異常產生，如：非法訪問內存(段錯誤)、除0(浮點數例外)、內存對齊出錯(總線錯誤)
5. 命令產生，如：kill命令

1.4 信號的狀態

• 產生
• 遞達：信號到達並且處理完
• 未決：產生和遞達之間的狀態。主要由於阻塞(屏蔽)導致該狀態。

1.5 信號的處理方式

• 執行默認動作
• 忽略(丟棄)
• 捕捉(調用戶處理函數)

1.6 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信號後，再收到該信號，該信號的處理將推後(解除屏蔽後)
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爲1，表信號處於未決狀態。當信號被處理對應位翻轉回爲0。這一時刻往往非常短暫。
• 信號產生後由於某些原因(主要是阻塞)不能抵達。這類信號的集合稱之爲未決信號集。在屏蔽解除前，信號一直處於未決狀態。
  
  如果我們把2號信號設置成阻塞（即在阻塞信號集的對應位置設爲1），那麼來一個2號信號，則未信號集的對應值置爲1，什麼時候阻塞信號集中的對應位置變成0了，什麼時候未決信號集才能去處理之前被阻塞的那個信號。

1.7 信號的四要素

• 編號
• 事件
• 名稱
• 默認處理動作
  1 忽略
  2 終止
  3 終止+core
  4 暫停
  5 繼續

默認處理動作有五個（linux 輸入 man 7 signal 即可查看），如圖所示：
注意：9號，19號信號，不能捕捉，不能忽略，不能阻塞。

1.8 Linux常規信號一覽表

編號	名稱	作用
1	SIGHUP	用戶退出shell時，由該shell啓動的所有進程將收到這個信號，默認動作爲終止進程
2	SIGINT	當用戶按下了<Ctrl+C>組合鍵時，用戶終端向正在運行中的由該終端啓動的程序發出此信號。默認動作爲終止進程。
3	SIGQUIT	當用戶按下<ctrl+>組合鍵時產生該信號，用戶終端向正在運行中的由該終端啓動的程序發出些信號。默認動作爲終止進程。
4	SIGILL	CPU檢測到某進程執行了非法指令。默認動作爲終止進程併產生core文件
5	SIGTRAP	該信號由斷點指令或其他 trap指令產生。默認動作爲終止里程 併產生core文件。
6	SIGABRT	調用abort函數時產生該信號。默認動作爲終止進程併產生core文件。
7	SIGBUS	非法訪問內存地址，包括內存對齊出錯，默認動作爲終止進程併產生core文件。
8	SIGFPE	在發生致命的運算錯誤時發出。不僅包括浮點運算錯誤，還包括溢出及除數爲0等所有的算法錯誤。默認動作爲終止進程併產生core文件。
9	SIGKILL	無條件終止進程。本信號不能被忽略，處理和阻塞。默認動作爲終止進程。它向系統管理員提供了可以殺死任何進程的方法。
10	SIGUSE1	用戶定義 的信號。即程序員可以在程序中定義並使用該信號。默認動作爲終止進程。
11	SIGSEGV	指示進程進行了無效內存訪問。默認動作爲終止進程併產生core文件。
12	SIGUSR2	另外一個用戶自定義信號，程序員可以在程序中定義並使用該信號。默認動作爲終止進程。
13	SIGPIPE	Broken pipe向一個沒有讀端的管道寫數據。默認動作爲終止進程。
14	SIGALRM	定時器超時，超時的時間 由系統調用alarm設置。默認動作爲終止進程。
15	SIGTERM	程序結束信號，與SIGKILL不同的是，該信號可以被阻塞和終止。通常用來要示程序正常退出。執行shell命令Kill時，缺省產生這個信號。默認動作爲終止進程。
16	SIGSTKFLT	Linux早期版本出現的信號，現仍保留向後兼容。默認動作爲終止進程。
17	SIGCHLD	子進程結束時，父進程會收到這個信號。默認動作爲忽略這個信號。
18	SIGCONT	如果進程已停止，則使其繼續運行。默認動作爲繼續/忽略。
19	SIGSTOP	停止進程的執行。信號不能被忽略，處理和阻塞。默認動作爲暫停進程。
20	SIGTSTP	停止終端交互進程的運行。按下<ctrl+z>組合鍵時發出這個信號。默認動作爲暫停進程。
21	SIGTTIN	後臺進程讀終端控制檯。默認動作爲暫停進程。
22	SIGTTOU	該信號類似於SIGTTIN，在後臺進程要向終端輸出數據時發生。默認動作爲暫停進程。
23	SIGURG	套接字上有緊急數據時，向當前正在運行的進程發出些信號，報告有緊急數據到達。如網絡帶外數據到達，默認動作爲忽略該信號。
24	SIGXCPU	進程執行時間超過了分配給該進程的CPU時間 ，系統產生該信號併發送給該進程。默認動作爲終止進程。
25	SIGXFSZ	超過文件的最大長度設置。默認動作爲終止進程。
26	SIGVTALRM	虛擬時鐘超時時產生該信號。類似於SIGALRM，但是該信號只計算該進程佔用CPU的使用時間。默認動作爲終止進程。
27	SGIPROF	類似於SIGVTALRM，它不公包括該進程佔用CPU時間還包括執行系統調用時間。默認動作爲終止進程。
28	SIGWINCH	窗口變化大小時發出。默認動作爲忽略該信號。
29	SIGIO	此信號向進程指示發出了一個異步IO事件。默認動作爲忽略。
30	SIGPWR	關機。默認動作爲終止進程。
31	SIGSYS	無效的系統調用。默認動作爲終止進程併產生core文件。
34~64	SIGRTMIN～ SIGRTMAX	LINUX的實時信號，它們沒有固定的含義（可以由用戶自定義）。所有的實時信號的默認動作都爲終止進程。

2. 信號的產生

2.1 終端按鍵產生信號

Ctrl + c → 2) SIGINT（終止/中斷） “INT” ----Interrupt
Ctrl + z → 20) SIGTSTP（暫停/停止） “T” ----Terminal 終端。
Ctrl + \ → 3) SIGQUIT（退出）

2.2 硬件異常產生信號

除0操作 → 8) SIGFPE (浮點數例外) “F” -----float 浮點數。
非法訪問內存 → 11) SIGSEGV (段錯誤)
總線錯誤 → 7) SIGBUS

2.3 kill函數/命令產生信號

kill命令產生信號：kill -SIGKILL pid
kill函數：給指定進程發送指定信號(不一定殺死)

 int kill(pid_t pid, int sig);	

pid > 0		要發送進程ID
pid = 0		代表當前調用進程中內所有進程
pid = -1	代表有權限發送的所有進場
pid < 0		代表 -pid 對應的組內所有進程
sig			對應的信號，不推薦直接使用數字，應使用宏名，因爲不同操作系統信號編號可能不同，但名稱一致。

練習，讓3號子進程殺死父進程

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<signal.h>
 
int main(){
	int i;
	for(i=0; i<5; i++){
		pid_t pid=fork();
		if(pid==0){
			break;
		}
	}
	//我們使3號子進程殺死父進程
	if(i==2){
		printf("I will kill my father after 5 second!\n");
		sleep(5);
		kill(getppid(),SIGKILL);
	}
	if(i==5){
		while(1){
			printf("I am father!\n");
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}

運行結果：

父進程把3號子進程殺死：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
 
int main(){
	int i=0;
	pid_t pid3, pid;
	for(i=0; i<5; i++){
		pid=fork();
		if(pid==0) break;
		if(i==2) pid3=pid;
	}
	if(i<5){
		while(1){
			printf("I am child, pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(3);
		}
	}
	else if(i==5){
		printf("I am father,pid=%d, I will kill xiao san pid3=%d\n", getpid(), pid3);
		sleep(5);
		kill(pid3, SIGKILL);
		while(1) sleep(1);
	}
	return 0;
}

運行結果：

2.4 raise和abort函數

raise 函數：給當前進程發送指定信號(自己給自己發)
raise(signo) == kill(getpid(), signo);

int raise(int sig); 
返回值：	成功：0，失敗非0值

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
 
int main(){
	printf("I will die!\n");
	sleep(2);
	raise(SIGKILL);//kill(getpid(), sig)
	return 0;
}

abort 函數：給自己發送異常終止信號 6) SIGABRT 信號，終止併產生core文件

void abort(void); 該函數無返回

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(){
	printf("I will die!\n");
	sleep(2);
	//raise(SIGKILL);//kill(getpid(), sig)
    abort();
	return 0;
}

2.5 時鐘產生信號

2.5.1 alarm函數

設置定時器(鬧鐘)。在指定seconds後，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（Term）。
每個進程都有且只有唯一個定時器。
定時給自己發送SIGALRM
幾秒後發送信號
返回值——上次鬧鐘剩餘的秒數
特別的，如果傳入參數秒爲0，代表取消鬧鐘

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
 
int main(){
	alarm(6);
	while(1){
		printf("hello world \n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

alarm函數的返回值

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
 
int main(){
	int ret=0;
	ret=alarm(6);
	printf("ret=%d\n", ret);
	sleep(2);
	ret=alarm(5);
	printf("ret=%d\n", ret);
	while(1){
		printf("hello world\n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

運行結果：

2.5.2 setitimer函數

設置定時器(鬧鐘)。 可代替alarm函數。精度微秒us，可以實現週期定時

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);	

返回值		成功：0；失敗：-1，設置errno

參數：
which：指定定時方式
		ITIMER_REAL 	自然定時法 			SIGALRM
		ITIMER_VIRTUAL 	計算進程執行時間 	SIGVTALRM
		ITIMER_PROF 	程序執行時間+調度時間 ITIMER_VIRTUAL
		
new_value 	要設置的鬧鐘時間

old_value 	原鬧鐘時間

setitimer實現alarm功能

#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<unistd.h>
 
int main(){
	//setitimer是一個結構體中嵌套了兩個結構體
	//兩個結構體分別代表：週期性的時間設置，下次的鬧鐘時間
	//每個結構體裏。，第一個參數是秒，第二個參數是微妙
	//這裏定義的意思就是：三秒之後發送SIGALRM信號
	struct itimerval myit={{0,0},{3,0}};
	setitimer(ITIMER_REAL, &myit, NULL);
 
	while(1){
		printf("Who can kill me!\n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

運行結果：

測試周期性發送信號功能
週期性發送SIGALRM信號殺死進程，進程利用catch_sig函數來捕獲SIGALRM信號

#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
 
void catch_sig(int num){
	printf("cat %d sig\n", num);
}
int main(){
	signal(SIGALRM, catch_sig);
	//第一次等待五秒，之後每隔三秒
	struct itimerval myit={{3,0},{5,0}};
	setitimer(ITIMER_REAL, &myit, NULL);
 
	while(1){
		printf("Who can kill me!\n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

運行結果：

setitimer實現alarm

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/time.h>
 
unsigned int myalarm(unsigned int seconds){
	struct itimerval oldit,myit={{0,0},{0,0}};
	//second秒之後，給我發送一個SIGALRM信號
	myit.it_value.tv_sec=seconds;
	//old_value 原鬧鐘時間
	setitimer(ITIMER_REAL, &myit, &oldit);
	//打印秒和微秒
	printf("tv_sec=%ld, tv_microsec=%ld\n",
		oldit.it_value.tv_sec, oldit.it_value.tv_usec);
	return oldit.it_value.tv_sec;
 
}
 
int main(){
	int ret=0;
	ret=myalarm(5);
	printf("ret=%d\n", ret);
	sleep(3);
	ret=myalarm(3);
	printf("ret=%d\n", ret);
	while(1){
		printf("hello world\n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

運行結果：

後接Linux下IPC方式之信號2