Linux环境进程间通信（二）: 信号（上）
简介：?linux信号机制远远比想象的复杂，本文力争用最短的篇幅，对该机制做了深入细致的分析。读者可以先读一下信号应用实例（在信号（下）中），这样可以对信号发送直到相应的处理函数执行完毕这一过程有个大致的印象。本文尽量给出了较新函数的应用实例，着重说明这些的功能。
一、信号及信号来源
信号本质
信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。
信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，可以看作是异步通知，通知接收信号的进程有哪些事情发生了。信号机制经过POSIX实时扩展后，功能更加强大，除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。
信号来源
信号事件的发生有两个来源：硬件来源(比如我们按下了键盘或者其它硬件故障)；软件来源，最常用发送信号的系统函数是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函数，软件来源还包括一些非法运算等操作。
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二、信号的种类
可以从两个不同的分类角度对信号进行分类：（1）可靠性方面：可靠信号与不可靠信号；（2）与时间的关系上：实时信号与非实时信号。在《Linux环境进程间通信（一）：管道及有名管道》的附1中列出了系统所支持的所有信号。
1、可靠信号与不可靠信号
"不可靠信号"
Linux信号机制基本上是从Unix系统中继承过来的。早期Unix系统中的信号机制比较简单和原始，后来在实践中暴露出一些问题，因此，把那些建立在早期机制上的信号叫做"不可靠信号"，信号值小于SIGRTMIN(Red hat 7.2中，SIGRTMIN=32，SIGRTMAX=63)的信号都是不可靠信号。这就是"不可靠信号"的来源。它的主要问题是：
Linux支持不可靠信号，但是对不可靠信号机制做了改进：在调用完信号处理函数后，不必重新调用该信号的安装函数（信号安装函数是在可靠机制上的实现）。因此，Linux下的不可靠信号问题主要指的是信号可能丢失。
"可靠信号"
随着时间的发展，实践证明了有必要对信号的原始机制加以改进和扩充。所以，后来出现的各种Unix版本分别在这方面进行了研究，力图实现"可靠信号"。由于原来定义的信号已有许多应用，不好再做改动，最终只好又新增加了一些信号，并在一开始就把它们定义为可靠信号，这些信号支持排队，不会丢失。同时，信号的发送和安装也出现了新版本：信号发送函数sigqueue()及信号安装函数sigaction()。POSIX.4对可靠信号机制做了标准化。但是，POSIX只对可靠信号机制应具有的功能以及信号机制的对外接口做了标准化，对信号机制的实现没有作具体的规定。
信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号，可靠信号克服了信号可能丢失的问题。Linux在支持新版本的信号安装函数sigation（）以及信号发送函数sigqueue()的同时，仍然支持早期的signal（）信号安装函数，支持信号发送函数kill()。
注：不要有这样的误解：由sigqueue()发送、sigaction安装的信号就是可靠的。事实上，可靠信号是指后来添加的新信号（信号值位于SIGRTMIN及SIGRTMAX之间）；不可靠信号是信号值小于SIGRTMIN的信号。信号的可靠与不可靠只与信号值有关，与信号的发送及安装函数无关。目前linux中的signal()是通过sigation()函数实现的，因此，即使通过signal（）安装的信号，在信号处理函数的结尾也不必再调用一次信号安装函数。同时，由signal()安装的实时信号支持排队，同样不会丢失。
对于目前linux的两个信号安装函数:signal()及sigaction()来说，它们都不能把SIGRTMIN以前的信号变成可靠信号（都不支持排队，仍有可能丢失，仍然是不可靠信号），而且对SIGRTMIN以后的信号都支持排队。这两个函数的最大区别在于，经过sigaction安装的信号都能传递信息给信号处理函数（对所有信号这一点都成立），而经过signal安装的信号却不能向信号处理函数传递信息。对于信号发送函数来说也是一样的。
2、实时信号与非实时信号
早期Unix系统只定义了32种信号，Ret hat7.2支持64种信号，编号0-63(SIGRTMIN=31，SIGRTMAX=63)，将来可能进一步增加，这需要得到内核的支持。前32种信号已经有了预定义值，每个信号有了确定的用途及含义，并且每种信号都有各自的缺省动作。如按键盘的CTRL ^C时，会产生SIGINT信号，对该信号的默认反应就是进程终止。后32个信号表示实时信号，等同于前面阐述的可靠信号。这保证了发送的多个实时信号都被接收。实时信号是POSIX标准的一部分，可用于应用进程。
非实时信号都不支持排队，都是不可靠信号；实时信号都支持排队，都是可靠信号。
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三、进程对信号的响应
进程可以通过三种方式来响应一个信号：（1）忽略信号，即对信号不做任何处理，其中，有两个信号不能忽略：SIGKILL及SIGSTOP；（2）捕捉信号。定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数；（3）执行缺省操作，Linux对每种信号都规定了默认操作，详细情况请参考[2]以及其它资料。注意，进程对实时信号的缺省反应是进程终止。
Linux究竟采用上述三种方式的哪一个来响应信号，取决于传递给相应API函数的参数。
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四、信号的发送
发送信号的主要函数有：kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()。
1、kill()?
#include <sys/types.h>?
#include <signal.h>?
int kill(pid_t pid,int signo)
Sinno是信号值，当为0时（即空信号），实际不发送任何信号，但照常进行错误检查，因此，可用于检查目标进程是否存在，以及当前进程是否具有向目标发送信号的权限（root权限的进程可以向任何进程发送信号，非root权限的进程只能向属于同一个session或者同一个用户的进程发送信号）。
Kill()最常用于pid>0时的信号发送，调用成功返回 0； 否则，返回 -1。 注：对于pid<0时的情况，对于哪些进程将接受信号，各种版本说法不一，其实很简单，参阅内核源码kernal/signal.c即可，上表中的规则是参考red hat 7.2。
2、raise（）?
#include <signal.h>?
int raise(int signo)?
向进程本身发送信号，参数为即将发送的信号值。调用成功返回 0；否则，返回 -1。
3、sigqueue（）?
#include <sys/types.h>?
#include <signal.h>?
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval val)?
调用成功返回 0；否则，返回 -1。
sigqueue()是比较新的发送信号系统调用，主要是针对实时信号提出的（当然也支持前32种），支持信号带有参数，与函数sigaction()配合使用。
sigqueue的第一个参数是指定接收信号的进程ID，第二个参数确定即将发送的信号，第三个参数是一个联合数据结构union sigval，指定了信号传递的参数，即通常所说的4字节值。
回页首五、信号的安装（设置信号关联动作）
如果进程要处理某一信号，那么就要在进程中安装该信号。安装信号主要用来确定信号值及进程针对该信号值的动作之间的映射关系，即进程将要处理哪个信号；该信号被传递给进程时，将执行何种操作。
linux主要有两个函数实现信号的安装：signal()、sigaction()。其中signal()在可靠信号系统调用的基础上实现, 是库函数。它只有两个参数，不支持信号传递信息，主要是用于前32种非实时信号的安装；而sigaction()是较新的函数（由两个系统调用实现：sys_signal以及sys_rt_sigaction），有三个参数，支持信号传递信息，主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用，当然，sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。
1、signal()?
#include <signal.h>?
void (*signal(int signum, void (*handler))(int)))(int);?
如果该函数原型不容易理解的话，可以参考下面的分解方式来理解：?
typedef void (*sighandler_t)(int)；?
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));?
第一个参数指定信号的值，第二个参数指定针对前面信号值的处理，可以忽略该信号（参数设为SIG_IGN）；可以采用系统默认方式处理信号(参数设为SIG_DFL)；也可以自己实现处理方式(参数指定一个函数地址)。?
如果signal()调用成功，返回最后一次为安装信号signum而调用signal()时的handler值；失败则返回SIG_ERR。2、sigaction()?
#include <signal.h>?
int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact));sigaction函数用于改变进程接收到特定信号后的行为。该函数的第一个参数为信号的值，可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号（为这两个信号定义自己的处理函数，将导致信号安装错误）。第二个参数是指向结构sigaction的一个实例的指针，在结构sigaction的实例中，指定了对特定信号的处理，可以为空，进程会以缺省方式对信号处理；第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理，可指定oldact为NULL。如果把第二、第三个参数都设为NULL，那么该函数可用于检查信号的有效性。
第二个参数最为重要，其中包含了对指定信号的处理、信号所传递的信息、信号处理函数执行过程中应屏蔽掉哪些函数等等。
sigaction结构定义如下：
3、sa_mask指定在信号处理程序执行过程中，哪些信号应当被阻塞。缺省情况下当前信号本身被阻塞，防止信号的嵌套发送，除非指定SA_NODEFER或者SA_NOMASK标志位。
注：请注意sa_mask指定的信号阻塞的前提条件，是在由sigaction（）安装信号的处理函数执行过程中由sa_mask指定的信号才被阻塞。
4、sa_flags中包含了许多标志位，包括刚刚提到的SA_NODEFER及SA_NOMASK标志位。另一个比较重要的标志位是SA_SIGINFO，当设定了该标志位时，表示信号附带的参数可以被传递到信号处理函数中，因此，应该为sigaction结构中的sa_sigaction指定处理函数，而不应该为sa_handler指定信号处理函数，否则，设置该标志变得毫无意义。即使为sa_sigaction指定了信号处理函数，如果不设置SA_SIGINFO，信号处理函数同样不能得到信号传递过来的数据，在信号处理函数中对这些信息的访问都将导致段错误（Segmentation fault）。
注：很多文献在阐述该标志位时都认为，如果设置了该标志位，就必须定义三参数信号处理函数。实际不是这样的，验证方法很简单：自己实现一个单一参数信号处理函数，并在程序中设置该标志位，可以察看程序的运行结果。实际上，可以把该标志位看成信号是否传递参数的开关，如果设置该位，则传递参数；否则，不传递参数。
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六、信号集及信号集操作函数：
信号集被定义为一种数据类型：
回页首七、信号阻塞与信号未决:
每个进程都有一个用来描述哪些信号递送到进程时将被阻塞的信号集，该信号集中的所有信号在递送到进程后都将被阻塞。下面是与信号阻塞相关的几个函数：
参数how进程当前信号集SIG_BLOCK在进程当前阻塞信号集中添加set指向信号集中的信号SIG_UNBLOCK如果进程阻塞信号集中包含set指向信号集中的信号，则解除对该信号的阻塞SIG_SETMASK更新进程阻塞信号集为set指向的信号集sigpending(sigset_t *set))获得当前已递送到进程，却被阻塞的所有信号，在set指向的信号集中返回结果。
sigsuspend(const sigset_t *mask))用于在接收到某个信号之前, 临时用mask替换进程的信号掩码, 并暂停进程执行，直到收到信号为止。sigsuspend 返回后将恢复调用之前的信号掩码。信号处理函数完成后，进程将继续执行。该系统调用始终返回-1，并将errno设置为EINTR。
附录1：结构itimerval：
参考资料
- linux内核源代码情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大学出版社，当要验证某个结论、想法时，最好的参考资料；
- UNIX环境高级编程，作者：W.Richard Stevens，译者：尤晋元等，机械工业出版社。对信号机制的发展过程阐述的比较详细。
- signal、sigaction、kill等手册，最直接而可靠的参考资料。
- http://www.linuxjournal.com/modules.php?op=modload&name=NS-help&file=man提供了许多系统调用、库函数等的在线指南。
- http://www.opengroup.org/onlinepubs/007904975/可以在这里对许多关键函数（包括系统调用）进行查询，非常好的一个网址。
- http://unix.org/whitepapers/reentrant.html对函数可重入进行了阐述。
- http://www.uccs.edu/~compsvcs/doc-cdrom/DOCS/HTML/APS33DTE/DOCU_006.HTM对实时信号给出了相当好的描述。
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