Linux多进程和多线程(三)进程间通讯-信号处理方式和自定义处理函数

进程间通信之信号
信号的处理
- ⽤户⾃定义处理基本的流程
  - 一. 实现⾃定义处理函数
  - 二.设置信号处理处理⽅式
- 示例: 创建⼀个⼦进程, ⽗进程给⼦进程发送 SIGUSR1 信号，并使⽤⾃定义的处理函数处理信号

进程间通信之信号

信号

信号是在软件层次上是⼀种通知机制, 对中断机制的⼀种模拟，是⼀种异步通信⽅式, ⼀般具有
如下特点:

1. 进程在运⾏过程中，随时可能被各种信号打断
2. 进程可以忽略, 或者去调⽤相应的函数去处理信号
3.进程⽆法预测到达的精准时间

在 Linux 中信号⼀般的来源如下

程序执⾏错误，如内存访问越界，数学运算除 0

由其他进程发送

通过控制终端发送如 ctrl + c

⼦进程结束时向⽗进程发送的 SIGCLD 信号

程序中设定的定时器产⽣的 SIGALRM 信号

信号的种类

在 Linux 系统可以通过 kill -l 命令查看, 常⽤的信号列举如下

在这里插入图片描述

SIGINT 该信号在⽤户键⼊ INTR 字符 (通常是 Ctrl-C) 时发出，终端驱动程序发送此
信号并送到前台进>程中的每⼀个进程。
SIGQUIT 该信号和 SIGINT 类似，但由 QUIT 字符 (通常是 Ctrl-) 来控制。
SIGILL 该信号在⼀个进程企图执⾏⼀条⾮法指令时 (可执⾏⽂件本身出现错误，或者
试图执⾏数据段、堆栈溢出时) 发出。
SIGFPE 该信号在发⽣致命的算术运算错误时发出。这⾥不仅包括浮点运算错误，还
包括溢出及除数 > 为 0 等其它所有的算术的错误。
SIGKILL 该信号⽤来⽴即结束程序的运⾏，并且不能被阻塞、处理和忽略。
SIGALRM 该信号当⼀个定时器到时的时候发出。
SIGSTOP 该信号⽤于暂停⼀个进程，且不能被阻塞、处理或忽略。
SIGTSTP 该信号⽤于交互停⽌进程，⽤户可键⼊ SUSP 字符时 (通常是 Ctrl-Z) 发出
这个信号。
SIGCHLD ⼦进程改变状态时，⽗进程会收到这个信号
SIGABRT 进程异常中⽌

信号在操作系统中的定义如下:

#define SIGHUP       1
#define SIGINT       2
#define SIGQUIT      3
#define SIGILL       4
#define SIGTRAP      5
#define SIGABRT      6
#define SIGIOT       6
#define SIGBUS       7
#define SIGFPE       8
#define SIGKILL      9 
#define SIGUSR1     10 // 用户自定义信号
#define SIGSEGV     11
#define SIGUSR2     12
#define SIGPIPE     13
#define SIGALRM     14
#define SIGTERM     15
#define SIGSTKFLT   16
#define SIGCHLD     17
#define SIGCONT     18
#define SIGSTOP     19
#define SIGTSTP     20
#define SIGTTIN     21

信号的处理流程

信号的发送：可以由进程直接发送
信号投递与处理 : 由内核进⾏投递给具体的进程并处理

在 Linux 中对信号的处理⽅式

忽略信号, 即对信号不做任何处理，但是有两个信号不能忽略：即 SIGKILL 及
SIGSTOP。
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。
执⾏缺省操作，Linux 对每种信号都规定了默认操作

内核通过task_struct找到相应的进程，然后将信号的类型和进程号传递给信号处理函数。信号处理函数根据信号类型做相应的处理。

在内核中的⽤于管理进程的结构为 task_struct , 具体定义如下:

任务队列

内核把进程的列表存放在叫做任务队列（task list) 的双向循环链表中。链表中的每一项都是类型为task_struct

备注：有些操作系统会把任务队列称为任务数组。但是Linux实现时使用的是队列而不是静态数组，所以称为任务队列

https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/103743235
更多关于task_struct 的信息，请参考《深入理解LINUX内核》

记录进程信号和相应的处理方式

自定义信号处理函数

这种方式需要在程序中编写信号处理函数，并在程序内核中注册信号处理函数。

信号的发送

当由进程来发送信号时, 则可以调⽤ kill() 函数与 raise () 函数

kill() 函数:

用于向指定进程发送信号

函数头文件:

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

原型如下:

int kill(pid_t pid, int sig);

参数:

pid_t pid: 进程ID
int sig: 信号值

返回值:

- 成功: 0
- 失败: -1  并设置 errno

raise() 函数:

用于向当前进程发送信号

函数头文件:

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

原型如下:

int raise(int sig);

参数:

int sig: 信号值

返回值:

- 成功: 0
- 失败: -1  并设置 errno

示例 : 创建⼀个⼦进程，⼦进程通过信号暂停，⽗进程发送终⽌信号

/*
 * 创建⼀个⼦进程，⼦进程通过信号暂停，⽗进程发送 终⽌信号
 * */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

int main(){
    pid_t child_pid; // ⼦进程ID  pid_t 类型在<sys/types.h>是⼀个整数类型，用来存储进程ID, 它是系统中⼀个进程的唯一标识符。系统中每个进程都有⼀个独⽴的pid。
    child_pid = fork(); // 创建⼀个⼦进程，⼦进程复制⽗进程的地址空间，并返回⼦进程的pid。
    if (child_pid ==-1){ // 创建失败
        perror("fork");// 输出错误信息
        exit(EXIT_FAILURE);// 退出程序
    } else if (child_pid == 0) { //只在⼦进程运行的代码
        //fprintf和printf的区别在于fprintf可以指定输出到哪个文件，printf默认输出到标准输出。
        //stdout是标准输出，输出到屏幕上,还有stderr是错误输出，输出到屏幕上。stdin是标准输入，输入从键盘上。
        fprintf(stdout, "子进程正在运行...子进程ID:%d\n", getpid());

        raise(SIGSTOP); // 发送SIGSTOP信号给⼦进程自己，暂停⼦进程的运行。

        fprintf(stdout, "子进程暂停自己后被父进程信号kill,不会打印这句话:%d\n", getpid());
        exit(EXIT_SUCCESS); // 退出⼦进程
    } else if (child_pid > 0) { // 父进程运行的代码
        int ret;
        sleep(2); // 父进程休眠2秒，等待⼦进程

        ret = kill(child_pid, SIGKILL);// 发送SIGKILL信号给⼦进程，终⽌⼦进程。
        //SIGKILL信号是强制终⽌进程的信号，它会杀死进程，并释放资源, 但是它不能被捕获和处理。

        if (ret == -1){ // 发送失败
            perror("kill");// 输出错误信息
            exit(EXIT_FAILURE);//退出程序
        } else {
            fprintf(stdout, "父进程终⽌⼦进程成功！\n");
            wait(NULL); // 等待⼦进程结束，防止⼦进程僵死。
            //wait函数传入NULL，表示等待任意⼦进程结束，返回值是⼦进程的终⽌状态。
        }
    }

    return 0;
}

运行结果:

子进程正在运行...子进程ID:3957
父进程终⽌⼦进程成功！

等待信号

在进程没有结束时，进程在任何时间点都可以接受到信号

需要阻塞等待信号时，则可以调⽤ pause() 函数

pause() 函数:

用于进程暂停，直到收到信号

函数头文件:

#include <signal.h>

原型如下:

int pause(void);

参数:

无

返回值:

- 成功: 0
- 失败: -1  并设置 errno

示例 : 创建创建⼀个⼦进程, ⽗进程调⽤ pause 函数，⼦进程给⽗进程发送信号

int main(){
    pid_t child_pid; // ⼦进程ID  pid_t 类型在<sys/types.h>是⼀个整数类型，用来存储进程ID, 它是系统中⼀个进程的唯一标识符。系统中每个进程都有⼀个独⽴的pid。
    child_pid = fork(); // 创建⼀个⼦进程，⼦进程复制⽗进程的地址空间，并返回⼦进程的pid。
    if (child_pid ==-1){ // 创建失败
        perror("fork");// 输出错误信息
        exit(EXIT_FAILURE);// 退出程序
    } else if (child_pid == 0) { //只在⼦进程运行的代码
        //fprintf和printf的区别在于fprintf可以指定输出到哪个文件，printf默认输出到标准输出。
        //stdout是标准输出，输出到屏幕上,还有stderr是错误输出，输出到屏幕上。stdin是标准输入，输入从键盘上。
        fprintf(stdout, "子进程正在运行...子进程ID:%d\n", getpid());
        sleep(1); // ⼦进程休眠1秒

        kill(getppid(), SIGUSR1); // 发送SIGUSR1信号(用户自定义信号1)给父进程,这个信号默认是结束进程

        fprintf(stdout, "发送SIGUSR1信号(用户自定义信号1)给父进程:%d\n", getpid());
        exit(EXIT_SUCCESS); // 退出⼦进程
    } else if (child_pid > 0) { // 父进程运行的代码

        fprintf(stdout, "父进程...父进程ID:%d\n", getpid());
        pause(); // 父进程阻塞，等待信号

        fprintf(stdout, "父进程...父进程收到信号");

        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

运行结果:

父进程...父进程ID:4782
子进程正在运行...子进程ID:4783
发送SIGUSR1信号(用户自定义信号1)给父进程:4783

pause 函数⼀定要在收到信号之前调⽤，让进程进⼊到睡眠状态

信号的处理

信号是由操作系统内核发送给指定进程, 进程收到信号后则需要进⾏处理

处理信号三种⽅式:

忽略 : 不进⾏处理
默认 : 按照信号的默认⽅式处理
⽤户⾃定义 : 通过⽤户实现⾃定义处理函数来处理，由内核来进⾏调⽤

三种方式都是内核来处理.
⾃定义处理函数:需要将信号处理函数地址注册到内核中, 并在信号发⽣时, 由内核调用相应的处理函数。

对于每种信号都有相应的默认处理⽅式

进程退出:

SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,

SIGUSR1,SIGUSR2,SIGVTALRM

进程忽略

SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH

进程暂停

SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU

⽤户⾃定义处理基本的流程

一. 实现⾃定义处理函数

⽤户实现⾃定义处理函数, 需要按照下⾯的形式定义

typedef void (*sighandler_t)(int);

typedef void (*)(int) sighandler_t
//sighandler_t 是信号处理函数的类型, 它是一个函数指针, 指向信号处理函数的起始地址。

二.设置信号处理处理⽅式

通过 signal 函数设置信号处理⽅式

函数头⽂件

#include <signal.h>

函数原型

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

//sighandler_t 是信号处理函数的类型, 它是一个函数指针, 指向信号处理函数的起始地址。

函数功能

设置信号的处理⽅式, 如果是⾃定义处理⽅式，提供函数地址，注册到内核中

函数参数

signum : 信号编号 

handler : 信号处理⽅式
    - SIG_IGN (1): 忽略信号//信号处理函数不做任何事情
    - SIG_DFL (0): 按照默认⽅式处理//信号处理函数是系统默认的处理函数
    - 其他 : 自定义处理函数的地址//信号处理函数是⾃定义的处理函数

三种处理⽅式互斥,一般选择一种即可。

返回值

成功 : 信号处理函数的地址

失败 : 返回 SIG_ERR (-1) 并设置 errno

在这里插入图片描述

示例: 创建⼀个⼦进程, ⽗进程给⼦进程发送 SIGUSR1 信号，并使⽤⾃定义的处理函数处理信号

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
/*
 * 创建⼀个⼦进程, ⽗进程给⼦进程发送 SIGUSR1 信号，并使⽤⾃定义的处理函数处理信号
 *
 * */

//信号处理函数,通过signal函数关联对应的信号
//@param  sign 当前接受到的信号(与这个处理函数相关联的)
void sig_handler(int sign);

int main(int argc, char *argv[]) {
    __sighandler_t ret;//信号处理函数的返回值
    ret= signal(SIGUSR1, sig_handler);//关联信号处理函数
    if(ret==SIG_ERR){//出错处理
        perror("signal");//出错处理
        exit(1);//退出程序
    }
    //成功返回的信号处理函数指针

    //创建⼀个⼦进程
    pid_t pid=fork();
    if(pid==-1){//出错处理
        perror("fork");//出错处理
        exit(1);//退出程序
    }else if(pid==0){//⼦进程
        printf("⼦进程开始\n");
        //使⽤⾃定义的处理函数处理信号
        pause();
        //函数处理后回到子进程,继续执行
        printf("⼦进程结束\n");

    }else{//⽗进程
        sleep(1);//等待⼦进程启动
        printf("⽗进程发送信号\n");
        //给⼦进程发送 SIGUSR1 信号
        //信号投递是由内核完成,通过task_struct找到对应的进程,再去调用信号处理函数
        kill(pid, SIGUSR1);
        //等待⼦进程结束
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}
//信号处理函数
void sig_handler(int sign){
    //处理信号
    printf("信号处理函数运行 %s\n", strsignal(sign));//strsignal函数将信号转换为字符串,返回一个字符串，描述信号编号的含义
}

运行结果:

⼦进程开始
⽗进程发送信号
信号处理函数运行 User defined signal 1

eep(1);//等待⼦进程启动
printf(“⽗进程发送信号\n”);
//给⼦进程发送 SIGUSR1 信号
//信号投递是由内核完成,通过task_struct找到对应的进程,再去调用信号处理函数
kill(pid, SIGUSR1);
//等待⼦进程结束
wait(NULL);
}
return 0;
}
//信号处理函数
void sig_handler(int sign){
//处理信号
printf(“信号处理函数运行 %s\n”, strsignal(sign));//strsignal函数将信号转换为字符串,返回一个字符串，描述信号编号的含义
}


运行结果:

⼦进程开始
⽗进程发送信号
信号处理函数运行 User defined signal 1