从kernel源代码的角度分析signal的错误用法和注意事项
时间：2006-11-21 来源：redegao
从kernel源代码的角度分析signal的错误用法和注意事项
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--bob
读这份文档之前，建议先浏览一下 《Unix Advanced Programming》里面的signal一章和下面这份出自IBM论坛的文章：进程间通信 信号（上） http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index1.html ，和 进程间通信 信号（下）http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html 该作者写了一个系列的进程间通信的文章， 我只是希望对该篇作个补充！
因为它们都没有从源代码的角度分析，所以我尝试了一下把上层应用与kernel实现代码分析结合起来，这样使用者才可能真正的理解signal的用法和原理！
目前介绍signal理论和用法书不少，缺点是只介绍其用法，非常深奥拗口，不容易理解； 而介绍kernel源代码的书，侧重于代码分析，不讲实际应用！
我就想到如果把两者结合起来，对上层使用signal函数的用户必然能知起所以然了，而且只要顺着我的代码注释大概粗读一下源码就可以理解 signal的特性和用法以及你碰到的种种疑惑和不解了。
如果你对signal的特性和用法有什么疑惑的话，如果对kernel也感兴趣的话， 就可以继续读源码 ， 把这篇文章加以补充和完善！ 前提是遵守上面的声明！
因为工作的需要,详细的读了一下 linux kernel 2.4.24 版本的signal部分的源代码，收获不小。以前读<<Unix Advanced Programming>>的时候，对signal的掌握只是停留在表面，只是会用而已，但是并不知道它是怎么实现，signal的本质到底 是什么。读了源码之后，才真正知道了signal的奥妙所在，对其用法理解的就更深了， 主要的是以后用signa的时候，犯错的机会就少了。
有的时候看着一个系统调用成堆的手册页，还真不如看看它的实现来得更快， 当然两下对照着看就快了。
在此通过阅读源码，弄清楚了5 个问题，每个问题我都给出了结论，当然这些结论肯定是正确的，至少《Unix Advanced Programming》是这样认为的， 我只是从kernel的角度是验证它的正确性(简单的写了几个测试程序，以验证kernel的做法)，而且也归纳了 一些结论，比如如何避免 Zobie进程 等。 相信对大家会有价值，也可以mail讨论！或者上相应的论坛！当然有个别的也是我自己的结论，如果您认为有值得商榷的地方，可以Email给我： [email protected]
首先总结一下：在PC linux（RHT 9.0 + kernel-2.4.24) 键盘产生的信号：
Ctrl + c SIGINT(2) terminate ，以前我总想当然以为是 SIGTERM(15)！
Ctrl + \ SIGQUIT(3) terminate
Ctrl + z SIGTSTP(20) 挂起进程
对于一般应用：
挂起一个进程： kill(pid, SIGSTOP) 或 kill(pid,SIGTSTP) , 或 SIGTTIN , SIGTTOU 信号
恢复一个进程 kill(pid,SIGCONT);
杀死所有的符合某个名字的进程 ：比如killall curl ，发送的是SIGTERM 信号
强制杀死某个进程 kill –9 curl ,发送的是SIGKILL 信号， 在kernel中，SIGKILL和SIGSTOP是不能被忽略的
....
剩下的大家都清楚了，这里就不罗嗦了。
子进程结束时候发给父进程的信号： SIGCHLD ，这个比较特殊 ， 且看下面3>的论述
Agenda ：
1>不可靠的信号
2>Zombie进程（僵尸进程）与signal
3>特殊的SIGCHLD 信号
4>信号与进程的关系 ，进程的要求
5>pause() 与 signal
6>关于阻塞信号
7>关于不可重入函数
8>关于信号的技巧
1> 不可靠的信号（linux继承Unix的结果，考虑兼容性）， 和可靠的信号（主要就是信号可以排队处理，信号不丢失，linux自己的，但大家好像用的不多）
什么是不可靠的信号：简单的说，就是当你向一个进程发送singal( 1～31，注意这里讨论是 1～31 )的时候 ， 当进程还没有处理该信号（这时候叫pending， 未决信号)或者是正在调用信号处理函数的时候， 进程又收到了一个同样的信号 ， kernel会把第二个信号丢弃，或者叫和一个信号合并,这样的信号就是 不可靠的信号 ，具体正方面的比较权威的解释请参考 http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index1.html ,这篇文章对于信号理论介绍的非常详细清楚明白， 个人认为比《Unix advanced Programming》要更好！
系统实现是这样的：
==> kernel/signal.c
int send_sig_info(int sig, struct siginfo *info, struct task_struct *t)
{
.............................................
/*
如果当前进程的未决信号集中已经包括了这个信号，就不重新注册后来现在的同样的信号了，
据个例子： 给进程发了 SIGTERM 信号 ， 但是kernel还没有来得及处理（进程只有在kernel空间即将返回道用户空间的时候，
kernel才会检测pending信号 ,然后才会调用do_signal()函数去处理）
这个时候又发了一个SIGTERM，那么第二个SIGTERM 肯定要被cut掉了。
*/
if (sig < SIGRTMIN && sigismember(&t->pending.signal, sig)) //SIGRTMIN 是分水岭 ， 小于它的都是不可靠的信号，否则就是实时信号
goto out; //跳出了正常执行的范围
....................................................
}
！正确的：1～31都是不可靠的信号！ SIGRTMIN ～SIGRTMAX都是可靠的信号！
以前大家有个误区：
！误区1>
以为不可靠的信号，是指 给进程发了一个信号（之前没有发过），那么这个信号可能丢失，也就是进程收不到
这样的理解是错误的， 根据上面的定义 ， 应该是”一个信号发了多遍，后来的信号丢失了，而不是第一个丢了“。
具体的原因可以参照上面的代码分析，就一目了然，还可以看《unix advanced programming 》，不过我觉得它讲的都是老的Unix ，对Linux只能是参考而已！
！误区2>
signal() 发送的是不可靠的信号 ，而 sigaction()发送的是可靠的信号
只要是1－31的信号，它就是不可靠的信号。 无论在注册信号处理函数的时候用的是sigaction() ，还是signal() ，只要你发送的信号 是 1-31，那么就是不可靠的信号。中国有句俗语叫”烂泥扶不上墙“，我看放在这里挺合适！
signal（）和 sigaction()的差别到底在哪里呢？ 通过对比一看便知：
对于signal() ，它的kernel实现函数，也叫系统调用服务历程sys_signal()
==>kernel/signal.c
asmlinkage unsigned long
sys_signal(int sig, __sighandler_t handler)
{
struct k_sigaction new_sa, old_sa;
int ret;
new_sa.sa.sa_handler = handler;
new_sa.sa.sa_flags = SA_ONESHOT | SA_NOMASK;
//SA_ONESHOT：当执行一次信号处理程序后， 马上恢复为SIG_DFL ，
//SA_NOMASK : 表示在信号处理函数执行期间，不屏蔽的当前正在处理的那个信号
ret = do_sigaction(sig, &new_sa, &old_sa); //sys_sigaction 也调用这个函数
return ret ? ret : (unsigned long)old_sa.sa.sa_handler;
}
而sigaction（）函数的kernel实现是： sys_sigaction()
==>arch/i386/kernel/signal.c
asmlinkage int
sys_sigaction(int sig, const struct old_sigaction *act,struct old_sigaction *oact)
{
struct k_sigaction new_ka, old_ka;
int ret;
if (act) {
old_sigset_t mask;
if (verify_area(VERIFY_READ, act, sizeof(*act)) ||
__get_user(new_ka.sa.sa_handler, &act->sa_handler) ||
__get_user(new_ka.sa.sa_restorer, &act->sa_restorer))
return -EFAULT;
__get_user(new_ka.sa.sa_flags, &act->sa_flags);
__get_user(mask, &act->sa_mask);
siginitset(&new_ka.sa.sa_mask, mask);
}
ret = do_sigaction(sig, act ? &new_ka : NULL, oact ? &old_ka : NULL);//都调的这个函数
if (!ret && oact) {
if (verify_area(VERIFY_WRITE, oact, sizeof(*oact)) ||
__put_user(old_ka.sa.sa_handler, &oact->sa_handler) ||
__put_user(old_ka.sa.sa_restorer, &oact->sa_restorer))
return -EFAULT;
__put_user(old_ka.sa.sa_flags, &oact->sa_flags);
__put_user(old_ka.sa.sa_mask.sig[0], &oact->sa_mask);
}
return ret;
}
signal()和sigaction() 都是用do_signaction()来包装的， 都是用 struct sigaction()这个结构体的，差别在下面标出来了
struct sigaction {
__sighandler_t sa_handler; //2// typedef void (*__sighandler_t)(int); signal()和sigaction()函数都要求要户提供信号处理函数
unsigned long sa_flags; //signal()函数默认就用 SA_ONESHOT | SA_NOMASK; //sigaction()要由用户自己指定！
void (*sa_restorer)(void); //没用了
sigset_t sa_mask; //执行信号处理函数的时候要阻塞的信号，signal()使用默认的，就屏蔽正处理的信号，其他的不屏蔽，sigaction() 要求用户自己指定!
};
? 讨论时间：读到这里我有个疑问：sys_signal()函数明明把 sa_flags = SA_ONESHOT | SA_NOMASK; 而且在kernel执行信号处理函数之前，它会检查SA_ONESHOT标志 ，如果有这个标志， 就把sa_handler = SIG_DFL ,如果是这样的话， 我们需要反复注册某个信号的处理函数才行啊， 但是事实上，我们并没有这样作，而且程序运行的很好！
Kernel的signal()函数实现代码如下：
==>arch/i386/kernel/signal.c
static void
handle_signal(unsigned long sig, struct k_sigaction *ka,
siginfo_t *info, sigset_t *oldset, struct pt_regs * regs)
{
...........................................................
/* Set up the stack frame */
if (ka->sa.sa_flags & SA_SIGINFO)
setup_rt_frame(sig, ka, info, oldset, regs);
else
setup_frame(sig, ka, oldset, regs);
//here ， 我加了debug信息， 确实执行到这里了，
if (ka->sa.sa_flags & SA_ONESHOT){ //sys_signal()函数明明设置了这个标志
//通过debug ，知道居然没有到这里，就说明， sa_flags 根本就没有SA_ONESHOT标志了 ，可是sys_signal() 却又明明设置了这个标志，而且我搜索过， 根本没有地方，取消了 SA_ONESHOT 标志
printk("<0> the signal (%d) handler will reset to SIG_DFL\n",sig);
ka->sa.sa_handler = SIG_DFL; //这难道还不明确吗？
if (!(ka->sa.sa_flags & SA_NODEFER)) {
spin_lock_irq(¤t->sigmask_lock);
sigorsets(¤t->blocked,¤t->blocked,&ka->sa.sa_mask);
sigaddset(¤t->blocked,sig);
recalc_sigpending(current);
spin_unlock_irq(¤t->sigmask_lock);
}
}
既然这样的话 ，如果我们调用signal（）就应该在信号处理函数中反复注册自己的信号处理函数才对 ， 否则无法处理下一个同样的信号了。
比如 void signal_catch(int signo)
{
//信号处理函数细节
//最后一行
signal(signo, signal_catch); //再注册一遍， 否则就变成 SIG_DFL 了 。
}
对于这个问题 《Unix Advanced Programming》 也提到过，说早期的Unix 也存在这个问题， 是信号不可靠的一个原因 （见 P206）
但是实际上我们在用signal()函数的时候， 我们好像并不需要这么作 ，比如一个简单的测试程序。
为了测试， 我写了一个最简单的例子：
void sigterm_handler(int signo)
{
printf("Have caught sig N.O. %d\n",signo);
//按照kernel代码，应该还要有signal(signo,sigterm_handler); 才对呀 ，但事实上，我们大家都知道没有必要这样用 ，为什么呢？ 请前往论坛讨论： http://www.linuxforum.net/forum/showflat.php?Cat=&Board=linuxK&Number=607961&page=0&view=collapsed&sb=5&o=7&fpart=&vc=1&PHPSESSID=
}
int main(void)
{
printf("-------------111111111111111-------------\n");
signal（SIGTERM,sigterm_handler);
pause();
printf("----------222222222222222----------------\n");
pause();//如果按照kernel代码里面写的， 当再发一个SIGTERM信号的时候 ， sa_handler 就编程SIG_DFL 了，那默认就是 //terminate ，所以不会打出来 333333333333333333 了，
printf("-------------3333333333333333----------\n");
return 0;
}
但是执行结果确实：
333333333333333333333333 也打出来了， 这就又说明signal函数 ，不需要反复注册信号处理函数 ， 这不就矛盾吗？
所以现在问题就是
if (ka->sa.sa_flags & SA_ONESHOT){
ka->sa.sa_handler = SIG_DFL;
是在什么情况下 改变了 sigaction->sa_flags (去掉了 SA_ONESHOT 标志呢？)我在代码里面搜索不到啊！
如果感兴趣的朋友可以前往论坛讨论：http://www.linuxforum.net/forum/showflat.php?Cat=&Board=linuxK&Number=607949&page=0&view=collapsed&sb=5&o=7&fpart=&vc=1
2> 僵尸进程：也叫Zombie进程：
僵尸进程定义：进程结束后，该进程的父进程没有调用wait或waitpid（）对子进程进行回收 ， 子进程一直是Zombie状态。
关于kernel如何杀死Zombie 请看 kernel/exit.c ==>sys_wait4() 函数 ， waitpid 就是sys_wait4()实现的。
首先看看正确的编程方法：
当一个进程fork（）出一个子进程的时候，正确的情况下，父进程应该回收进程的资源：通过下面两个办法中的一个即可避免Zombie（僵尸进程）：
Ø 父进程显式的忽略SIGCHLD 信号
只要在fork一个子进程之前加上这么 一行： signal(SIGCHLD, SIG_IGN); //这样肯定不会出现僵尸进程，
为什么呢？ 看kernel的代码吧：
==>asm/i386/signal.c ==>do_signal()
ka = ¤t->sig->action[signr-1];//¤t->sig : signal_struct
if (ka->sa.sa_handler == SIG_IGN) {
if (signr != SIGCHLD)
continue; //对于信号处理方式是 SIG_IGN ，非SIGCHLD的信号 ,kernel什么也不作！ SIGCHLD 比较特殊啊！
/* Check for SIGCHLD: it's special.
类似调用waitpid（）来回收child process的进程表项
*/
//SIG_CHLD 信号的行为设置为SIG_IGN , 由内核来处理僵死进程。
//如果你的程序中没有特别的要求需要处理SIGCHLD , 为了避免僵尸进程（Zombie进程），你可以显式的忽略它，kernel会调用sys_wait4（）来处理僵尸进程的），它执行一个while() loop , 来处理系统中所有的僵尸进程，老黄牛精神啊！
while (sys_wait4(-1, NULL, WNOHANG, NULL) > 0) // 看看是不是和waitpid的用法一样啊！
/* nothing */;
continue;
}
如果 SIGCHLD 是默认的 SIG_DFL 的话：kernel就不管了，所以肯定会有僵尸进程的！
==>asm/i386/signal.c ==>do_signal()
if (ka->sa.sa_handler == SIG_DFL) {
int exit_code = signr;