从内核到应用层：深度剖析信号捕捉技术栈（含sigaction系统调用/SIGCHLD回收/volatile内存屏障）

Linux系列

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前言

Linux系统中，信号捕捉是指进程可以通过设置信号处理函数来响应特定信号。通过信号捕捉机制，进程可以对异步事件做出及时响应，从而提高程序的健壮性和灵活性。

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一、进程对信号的捕捉

图中内容及执行流程我已在Linux系列上上篇博客中介绍了，这里就不重复了。

1.1 内核对信号的捕捉

当信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下:
1、用户程序注册（对指定信号捕捉）了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。

2、 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。

3、 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。

4、 内核决定返回用户态后，不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。

5、 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。

6、 再次检测sigpending位图,如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

1.2 sigaction()函数

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
struct sigaction *oldact);

功能：捕捉指定信号，并读取和修改与指定捕捉信号相关联的处理动作。

参数

signum:指定捕捉信号的编号。

act: 输入型参数，act若非空，则根据act来修改信号的处理动作。

oldact：输出型参数，oldact若非空，则获取信号原来的处理动作。

struct sigaction：系统为用户提供的结构体类型，帮助用户访问内核级结构体：

今天我们主要使用，上面两个成员对象。

1. 信号处理方法，该方法需要一个整形变量，函数指针类型
2. act.sa_mask 所代表的是在信号处理函数执行期间需要阻塞的信号集合。也就是说，当 指定信号被捕获并且处理函数handler开始执行时，sa_mask 里的信号会被阻塞，一直到处理函数执行完毕。

下面我们通过两个场景来认识他们：

例一

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;void handler(int signum)
{cout<<"I catch a signal:"<<signum<<endl;return;
}
int main()
{struct sigaction act;struct sigaction olact;memset(&act,0,sizeof(act));//初始化内存空间memset(&olact,0,sizeof(olact));sigaction(2,&act,&olact);//对二号信号捕获，并修改处理方法while(true){cout<<"I am process,Pid:"<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

可以看到这样我们，就完成了对二号进程的捕获并修改执行方法为自定义的行为。

例二

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
using namespace std;void handler(int signum)
{cout<<"I catch a signal:"<<signum<<endl;sleep(10);//在执行handler方法期间，blocksig阻塞信号集中的信号被阻塞return;
}
int main()
{struct sigaction act;struct sigaction olact;memset(&act,0,sizeof(act));//初始化内存空间memset(&olact,0,sizeof(olact));sigset_t blocksig;sigaddset(&blocksig,2);//将二信号添加进blocksigact.sa_handler=handler;//将处理方法添加到act对象中act.sa_mask=blocksig;//将想要阻塞的信号位图赋值给actsigaction(2,&act,&olact);//对二号信号捕获，并修改处理方法while(true){cout<<"I am process,Pid:"<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

从执行结构可以得到，当二号信号被捕获执行处理方法，到该方法执行结束，二号信号一直被阻塞，当解除阻塞后，二号信号再次递达。这里也可以使用SIG_IGN(忽略信号)、SIG_DFL(执行默认方法)，来设定act.sa_handler。测试时建议尝试其他信号，因为即使我们不手动的将二号信号添加到阻塞信号集，系统在执行二号信号时也会将它先阻塞，下面我们来详细探讨。

1.3 信号集的修改时机

当我们完成对指定信号的捕捉并执行对应处理方法时，操作系统会在执行该方法前，先将pending位图中对应信号的标志位由1置为0，并将该信号添加到对应的阻塞信号集中。具体来说，在二号信号处理方法执行期间，即便进程再次收到二号信号，该信号也不会被递达。只有当上一个信号处理方法执行完毕并返回后，操作系统解除对二号信号的阻塞，新收到的二号信号才会被递达。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
using namespace std;void printsig()
{sigset_t set;sigemptyset(&set);sigpending(&set);for(int i=1;i<=31;i++)//依次检测信号集{if(sigismember(&set,i))cout<<1;else cout<<0;}cout<<endl;return ;
}
void handler(int signum)
{int cnt=5;while(cnt--){printsig();sleep(1);}cout<<"I catch a signal:"<<signum<<endl;sleep(5);//在执行handler方法期间，blocksig阻塞信号集中的信号被阻塞return;
}
int main()
{struct sigaction act;struct sigaction olact;memset(&act,0,sizeof(act));//初始化内存空间memset(&olact,0,sizeof(olact));act.sa_handler=handler;//将处理方法添加到act对象中sigaction(2,&act,&olact);//对二号信号捕获，并修改处理方法while(true){cout<<"I am process,Pid:"<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

从程序执行结果可以得出，当方法被执行时，操作系统会先将pending信号集1--->0,并将该信号阻塞，知道上次执行结束才会完成递达。

二、可重入函数

结合图中展示，分析函数调用链

在程序运行过程中，main函数调用insert函数，打算向链表head中插入节点node1。insert函数的插入操作分为两个步骤，当main函数调用的insert函数刚完成第一步时，硬件中断出现，进程被切换到内核态。在从内核态再次返回用户态之前，系统检测到有信号需要处理，于是进程转而执行sighandler函数。在sighandler函数中，同样调用了insert函数，并且向同一个链表head中插入节点node2。sighandler函数中的insert操作顺利完成了两个步骤，之后从sighandler函数返回内核态，接着再次回到用户态时，恢复上下文数据，程序从main函数调用的insert函数中断处继续执行，完成了剩余的第二步操作。原本main函数和sig handler函数先后尝试向链表中插入两个不同的节点，但最终链表中实际上仅成功插入了一个节点。

在上述执行流程中，insert函数被main和handler两条执行流重复调用，这一情况引发了结点丢失问题，并进而导致内存泄漏。像insert函数这种在被重复调用时可能出错或已经出错的函数，我们称之为不可重入函数；与之相对应的，则被称为可重入函数。

不可重入函数的特点：
调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

三、volatile关键字

接下来会通过这个关键字，拓展部分知识

例一

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
using namespace std;int flag=0;void handler(int signum)
{cout<<"I captured a signal:"<<signum<<endl;flag=1;
}
int main()
{struct sigaction act;memset(&act,0,sizeof(act));act.sa_handler=handler;sigaction(2,&act,nullptr);while(!flag);cout<<"process quit "<<endl;return 0;
}

mytest:mytest.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11

相信这个执行结果大家都能理解，我就不对上面代码作解释了。
这里将flag设为全局变量，是因为main和sighandler是两个独立的执行流

例二
代码同上

mytest:mytest.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -O2

从程序执行结果可知，当将g++编译器的优化级别设置为-O2时，即便通过发送二号信号（SIGINT）将flag变量修改为1，循环仍无法终止。这一现象的根源在于：当使用-O2这类高级优化级别编译代码时，编译器会对代码进行多维度优化以提升执行效率。针对while(!flag);这一循环结构，编译器通过静态代码分析发现，循环体内部不存在对flag变量的修改操作，因此推断该变量的值在循环过程中不会发生变化。

基于“内存访问速度相对较慢”这一特性，编译器为减少对内存的频繁访问，会将flag变量的值从内存加载至CPU寄存器中缓存。此后，在循环条件判断时，CPU会直接从寄存器中读取flag的值，而非重新从内存中获取最新数据，这就导致flag内存不可见了。然而，信号处理机制对flag变量的修改是直接作用于内存的，由于寄存器中的缓存值未及时刷新，导致循环条件判断始终基于寄存器中的旧值，最终造成循环无法终止的现象。

对于上面的结果我们可以,将 flag 声明为 volatile 类型，即 volatile int flag = 0;。volatile 关键字的作用是保存flag的内存可见性，告诉编译器，这个变量的值可能会被意外地改变，例如被硬件或者其他线程、信号处理函数等修改，因此编译器不能对其进行优化，这里就不展示了。

四、SIGCHLD信号

之前我们探讨过使用 wait 和 waitpid 函数来清理僵尸进程。在处理子进程结束的问题上，父进程有两种选择：一是进行阻塞等待，直至子进程结束；二是采用非阻塞的轮询方式，周期性地检查是否有子进程结束，以便及时清理。然而，这两种方式都存在明显的弊端。若采用阻塞等待的方式，父进程在等待期间会被阻塞，无法处理自身的任务，这会极大地降低父进程的工作效率。而采用轮询方式，虽然父进程可以在处理自身工作的同时检查子进程的状态，但这要求父进程时刻记得进行轮询操作，无疑增加了程序实现的复杂度，也容易出现疏漏。实际上，当子进程终止时，它会向父进程发送 SIGCHLD 信号。该信号的默认处理方式是被忽略，但我们可以对其进行优化。父进程可以自定义 SIGCHLD 信号的处理函数，这样一来，父进程就能够专注于自身的工作，无需时刻关注子进程的状态。当子进程终止时，会自动通知父进程，父进程只需在信号处理函数中调用 wait 函数，即可完成子进程的清理工作，既高效又便捷。 下面我们通过这样的方式实现一下：

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
using namespace std;void handler(int signum)
{pid_t wid=waitpid(0,nullptr,WNOHANG);if(wid)cout<<"child quit success"<<endl;return;
}
int main()
{signal(SIGCHLD,handler);pid_t id=fork();if(id==0){sleep(5);//模拟子进程工作exit(0);}while(true){cout<<"I am father process"<<endl;sleep(1);}return 0;
}

从执行结果可以得出，子进程在退出时给父进程发送了SIGCHLD信号。

当然还有一种防止僵尸进程的方法：父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程：

int main()
{struct sigaction act;memset(&act,0,sizeof(act));act.sa_handler=SIG_IGN;sigaction(SIGCHLD,&act,nullptr);pid_t id=fork();if(id==0){sleep(5);exit(0);}while(true){cout<<"I am father process"<<endl;sleep(1);}return 0;
}

这个结果不方便展示，你自己尝试一下。
本篇就分享到这里了，如果文章的知识，或代码有错误请您联系我，不胜感激！！！