Linux高性能服务器编程——信号及应用

浏览数：16 / 时间：2015年06月20日


信号

信号是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，以通知目标进程某个状态的改变或系统异常。Linux信号可由如下条件产生：

  1. 对于前台进程，用户可以通过输入特殊的终端字符来给它发送信号。比如输入Ctrl+C通常会给进程发送一个终端信号。

  2. 2.系统异常

  3. 系统状态变化

  4. 运行kill命令或调用kill函数

Linux信号概述

发送信号

Linux下，一个进程给其他进程发送信号的API是kill函数。其定义如下：

#include <sys/types.h>

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

该函数把信号sig发送给目标进程；目标进程可由pid参数指定，其可能取值及含义如下：

pid参数

含义

pid > 0

信号发送给PID为pid的进程

pid = 0

信号发送给本进程组内的其他进程

pid = -1

信号发送给出了init进程外的所有进程，但需要对目标进程有发送权限

pid < -1

发送给组IP为-pid的进程组中的所有成员

该函数成功时返回0，失败是返回-1并设置errno。

信号的处理方式

目标进程在收到信号时，需要定义一个接收函数来处理之。信号处理函数的原型如下：

#include <signal.h

typedef void (* _sighandler_t)( int );

信号处理函数只带一个整形参数，该参数用来指示信号类型。信号处理函数应该是可重入的，否则很容易引发一些竞态条件，所以在信号处理函数中严禁调用一些不安全的函数。

除了用户自定义信号处理函数外，bits/signum.h文件中还定义了两种其他处理方式——SIG_IGN和SIG_DFL:

#include <bits/signum.h>

#define SIG_DFL ((_sighandler_t)0)

#define SIG_IGN((_sighandler_t) 1)

SIG_IGN表示忽略目标信号，SIG_DFL表示使用信号的默认处理方式。信号的默认处理方式有如下几种：结束进程（Term）、忽略信号（Ign）、结束进程并生成核心转储文件（Core）、暂停进程（Stop）,以及继续进程（Cont）。

Linux的可用信号都定义在bits/signum.h头文件中，其中包括标准信号和POSIX实时信号。

终端系统调用

如果程序在执行处于阻塞的系统调用时接收到信号，并且我们为该信号设置了信号处理函数，则默认情况下系统调用将中断，并且errno被设置为EINTR。我们可以使用sigaction函数为信号设置SA_RESTART标志以自动重启被信号中断的系统调用。

         对于默认行为是暂停进程的信号（比如SIGSTOP、SIGTTIN），如果我们没有为它们设置信号处理函数，则它们也可以中断某些系统调用。

信号函数

signal系统调用

可以是使用signal系统调用为一个信号设置处理函数。

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler);

sig参数指出要捕捉的信号类型。_handler参数是_sighandler_t类型的函数指针，用于指定信号sig的处理函数。

signal函数成功时返回一个函数指针，该函数指针的类型也是_sighandler_t。这个返回值是前一次调用signal函数时传入的函数指针，或者是信号sig对应的默认处理函数指针SIG_DEF（如果是第一次调用signal的话）。

signal系统调用出错时返回SIG_ERR，并设置errno。

sigaction系统调用

设置信号处理函数的更健壮的接口是如下的系统调用：

#include <signal.h>

int sigaction(int signum, const structsigaction *act, struct sigaction *oldact);

signum参数之处要捕捉的信号类型，act参数指定新的信号处理方式，oldact参数则输出信号先前的处理方式（如果不为NULL的话）。act和oact都是sigaction结构体类型的指针，sigaction结构体描述了信号处理的细节，其定义如下：

struct sigaction {

               void     (*sa_handler)(int);

               void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);

               sigset_t   sa_mask;

               int        sa_flags;

               void     (*sa_restorer)(void);

          };

该结构体中的sa_handler成员指定信号处理函数。sa_mask成员设置进程的信号掩码（确切地说是在进程原有信号掩码的基础上增加信号掩码），以指定哪些信号不能发送给本进程。sa_mask是信号机sigset_t类型，该类型指定一组信号。sa_flag成员用于设置程序收到信号时的行为。sa_restorer成员已经过时，不在使用。

信号集

信号集函数

Linux使用数据结构sigset_t来表示一组信号，其定义如下：

#include <bits/sigset.h>

#define _SIGSET_NWORDS(1024 / (8 * sizeof(unsigned long int)))

typedef struct

{

         unsignedlong int __val[_SIGSET_NWORDS];

}__sigset_t;

由定义可见，sigset_t实际上是一个长整型数组，数组的每个元素的每个位表示一个信号。这种定义方式和文件描述符集fd_set类似。Linux提供了如下一组函数来设置、修改、删除和查询信号集：

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);                                    //清空信号集

int sigfillset(sigset_t *set);                                           //在信号集中设置所有信号

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);                            //将信号signum添加到set信号集中

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);                    //删除信号

int sigismember(const sigset_t *set, intsignum); //测试信号是否在信号集中

进程信号掩码

子进程将继承父进程的信号掩码。我们可以用sigaction结构体中的sa_mask成员来设置进程的 信号掩码。此外，一下函数也可以用于设置或查看进程的信号掩码:

#include<signal.h>

intsigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

_set参数指定新的信号掩码，_oset参数则输出原来的信号掩码（如果不为NULL的话）。如果_set参数不为NULL，则_how参数指定设置进程信号掩码的方式，其可选值如下表所示：

how参数

含义

SIG_BLOCK

新的进程掩码是当前值和set指定信号集的并集

SIG_UNBLOCK

当前值和~set信号集的交际，因此set指定的信号将不被屏蔽

SIG_SETMASK

直接设置为set

如果set为NULL，则进程信号掩码不变，此时我们仍然可以利用oldset参数获得进程当前的信号掩码。

sigprocmask成功返回0，失败返回-1并设置errno。

被挂起的信号

设置进程掩码后，被屏蔽的信号将不能被进程接收。如果给进程发送一个被屏蔽的信号，则操作系统将该信号设置为进程的一个被挂起的信号。如果我们取消对被挂起信号的屏蔽，则它能立即被进程接收到。如下函数可以获得当前被挂起的信号集：

#include<signal.h>

intsigpending(sigset_t *set);

set参数用于保存被挂起的信号集。显然，进程即使多次接收到同一个被挂起的信号，sigpending函数也只能反映一次。并且，当我们使用sigprocmask使被挂起的信号不被屏蔽时，该信号的处理函数也只能被触发一次。

统一事件源

信号是一种异步事件：信号处理函数和程序的主循环是两条不同的执行路线。很显然，信号处理函数需要尽可能地执行完毕，以确保该信号不被屏蔽（为了一些竞态条件，信号在处理期间，系统不会再触发它）太久。一种典型的解决方案是:把信号的主要逻辑放到程序的主循环中，当信号处理函数被触发时，它只是简单的通知主循环程序接收信号，并把信号值传递给主循环，主循环再根据被接收到的信号值执行目标信号的逻辑代码。信号处理函数通常用使用管道来将信号“传递“给主循环：信号处理函数往管道的写端写入信号值，主循环则从管道的独断读出该信号值，这里主循环可以用I/O复用系统监听管道的读端文件描述符上的刻度事件。如此一来，信号事件就能和其他I/O事件一样被处理，即统一事件源。

程序清单1是统一事件源的一个简单实现。

网络编程相关信号

SIGHUP

当挂起进程的控制终端时，SIGHUP信号将被触发。对于没有控制终端的网络后台程序而言，他们通常利用SIGHUP信号来强制服务器重读配置文件。

SIGPIPE

默认情况下，往一个读端关闭的管道或socket连接中写数据将引发SIGPIPE信号。我们需要在代码中捕获并处理该信号，至少不能忽略它。因为程序接收到SIGPIPE信号的默认行为是结束进程，这是我们不希望的。

SIGURG

SIGURG

         Linux下内核通知应用程序带外数据到达的主要有两种方法：一种是I/O复用技术，select等系统调用接收到带外数据时将返回，并向应用程序报告socket上的一场事件；另一种方法就有事使用SIGURG信号。程序清单2使用了SIGURG检测带外数据是否到达。

         客户端发送带外数据部分参见http://write.blog.csdn.net/postedit/36003039

则服务器上先输出如下：

 got 1 bytes ofoob data ‘c‘

got 5 bytes ofnormal data ‘123ab‘

got 3 bytes ofnormal data ‘123‘

程序清单1：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
static int pipefd[2];

int setnonblocking( int fd )
{
    int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl( fd, F_SETFL, new_option );
    return old_option;
}

void addfd( int epollfd, int fd )
{
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event );
    setnonblocking( fd );
}

void sig_handler( int sig )
{
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
    send( pipefd[1], ( char* )&msg, 1, 0 );
    errno = save_errno;
}

void addsig( int sig )
{
    struct sigaction sa;
    memset( &sa, '\0', sizeof( sa ) );
    sa.sa_handler = sig_handler;
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    sigfillset( &sa.sa_mask );
    assert( sigaction( sig, &sa, NULL ) != -1 );
}

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int listenfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( listenfd >= 0 );

    //int nReuseAddr = 1;
    //setsockopt( listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &nReuseAddr, sizeof( nReuseAddr ) );
    ret = bind( listenfd, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    if( ret == -1 )
    {
        printf( "errno is %d\n", errno );
        return 1;
    }
    //assert( ret != -1 );

    ret = listen( listenfd, 5 );
    assert( ret != -1 );

    epoll_event events[ MAX_EVENT_NUMBER ];
    int epollfd = epoll_create( 5 );
    assert( epollfd != -1 );
    addfd( epollfd, listenfd );

    ret = socketpair( PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd );
    assert( ret != -1 );
    setnonblocking( pipefd[1] );
    addfd( epollfd, pipefd[0] );

    // add all the interesting signals here
    addsig( SIGHUP );
    addsig( SIGCHLD );
    addsig( SIGTERM );
    addsig( SIGINT );
    bool stop_server = false;

    while( !stop_server )
    {
        int number = epoll_wait( epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
        if ( ( number < 0 ) && ( errno != EINTR ) )
        {
            printf( "epoll failure\n" );
            break;
        }
    
        for ( int i = 0; i < number; i++ )
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            if( sockfd == listenfd )
            {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );
                int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength );
                addfd( epollfd, connfd );
            }
            else if( ( sockfd == pipefd[0] ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
            {
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv( pipefd[0], signals, sizeof( signals ), 0 );
                if( ret == -1 )
                {
                    continue;
                }
                else if( ret == 0 )
                {
                    continue;
                }
                else
                {
                    for( int i = 0; i < ret; ++i )
                    {
                        //printf( "I caugh the signal %d\n", signals[i] );
                        switch( signals[i] )
                        {
                            case SIGCHLD:
                            case SIGHUP:
                            {
                                continue;
                            }
                            case SIGTERM:
                            case SIGINT:
                            {
                                stop_server = true;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            else
            {
            }
        }
    }

    printf( "close fds\n" );
    close( listenfd );
    close( pipefd[1] );
    close( pipefd[0] );
    return 0;
}

程序清单2
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>

#define BUF_SIZE 1024

static int connfd;

void sig_urg( int sig )
{
    int save_errno = errno;
    
    char buffer[ BUF_SIZE ];
    memset( buffer, '\0', BUF_SIZE );
    int ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, MSG_OOB );
    printf( "got %d bytes of oob data '%s'\n", ret, buffer );

    errno = save_errno;
}

void addsig( int sig, void ( *sig_handler )( int ) )
{
    struct sigaction sa;
    memset( &sa, '\0', sizeof( sa ) );
    sa.sa_handler = sig_handler;
    sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    sigfillset( &sa.sa_mask );
    assert( sigaction( sig, &sa, NULL ) != -1 );
}

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sock >= 0 );

    int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    assert( ret != -1 );

    ret = listen( sock, 5 );
    assert( ret != -1 );

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
    connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
    if ( connfd < 0 )
    {
        printf( "errno is: %d\n", errno );
    }
    else
    {
        addsig( SIGURG, sig_urg );
        fcntl( connfd, F_SETOWN, getpid() );

        char buffer[ BUF_SIZE ];
        while( 1 )
        {
            memset( buffer, '\0', BUF_SIZE );
            ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, 0 );
            if( ret <= 0 )
            {
                break;
            }
            printf( "got %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer );
        }

        close( connfd );
    }

    close( sock );
    return 0;
}


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