Linux內(nèi)核信號SIGIO使用實例講解
一、信號
1. 基本概念
信號是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，在原理上，一個進程收到一個信號與處理器收到一個中斷請求可以說是一樣的。信號是異步的，一個進程不必通過任何操作來等待信號的到達，事實上，進程也不知道信號到底什么時候到達。
例如鍵盤輸入中斷按鍵(^C)，它的發(fā)生在程序執(zhí)行過程中是不可預(yù)測的。
信號是進程間通信機制中唯一的異步通信機制，可以看作是異步通知，通知接收信號的進程有哪些事情發(fā)生了。
硬件異常也能產(chǎn)生信號，例如被零除、無效內(nèi)存引用(test里產(chǎn)生的就是這種錯誤)等。這些條件通常先由內(nèi)核硬件檢測到，然后通知內(nèi)核。內(nèi)核將決定產(chǎn)生什么樣的信號。
同一個信號的額外發(fā)生通常不會被排隊。如果信號在被阻塞時發(fā)生了5次，當(dāng)我們反阻塞這個信號時，這個信號的信號處理函數(shù)通常只被調(diào)用一次。
同一時刻只能處理一個信號，在信號處理函數(shù)發(fā)信號給自己時，該信號會被pending。
信號的數(shù)值越小，則優(yōu)先級越高。當(dāng)進程收到多個待處理信號時，總是先處理優(yōu)先級別高的信號。
信號處理函數(shù)的?？梢允褂帽恢袛嗟囊部梢允褂锚毩⒌?，具體可以通過系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置。
信號機制經(jīng)過POSIX實時擴展后，功能更加強大，除了基本通知功能外，還可以傳遞附加信息。
2. 處理方式
忽略：接收到信號后不做任何反應(yīng)。捕獲：用自定義的信號處理函數(shù)來執(zhí)行特定的動作。默認：接收到信號后按系統(tǒng)默認的行為處理該信號。這是多數(shù)應(yīng)用采取的處理方式。
二、Linux下的信號類型
使用kill -l就會顯示出linux支持的信號列表。
其中列表中，編號為1 ~ 31的信號為傳統(tǒng)UNIX支持的信號，是不可靠信號(非實時的)，編號為32 ~ 63的信號是后來擴充的，稱做可靠信號(實時信號)。不可靠信號和可靠信號的區(qū)別在于前者不支持排隊，可能會造成信號丟失，而后者不會。
下面我們對編號小于SIGRTMIN的信號進行討論(下面的編號 依次對應(yīng)信號 的數(shù)值為1 - 31)。
1) SIGHUP
本信號在用戶終端連接(正?；蚍钦?結(jié)束時發(fā)出, 通常是在終端的控制進程結(jié)束時, 通知同一session內(nèi)的各個作業(yè), 這時它們與控制終端不再關(guān)聯(lián)。
登錄Linux時，系統(tǒng)會分配給登錄用戶一個終端(Session)。在這個終端運行的所有程序，包括前臺進程組和后臺進程組，一般都 屬于這個 Session。當(dāng)用戶退出Linux登錄時，前臺進程組和后臺有對終端輸出的進程將會收到SIGHUP信號。這個信號的默認操作為終止進程，因此前臺進 程組和后臺有終端輸出的進程就會中止。不過可以捕獲這個信號，比如wget能捕獲SIGHUP信號，并忽略它，這樣就算退出了Linux登錄，wget也 能繼續(xù)下載。
此外，對于與終端脫離關(guān)系的守護進程，這個信號用于通知它重新讀取配置文件。
2) SIGINT
程序終止(interrupt)信號, 在用戶鍵入INTR字符(通常是Ctrl-C)時發(fā)出，用于通知前臺進程組終止進程。
3) SIGQUIT
和SIGINT類似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)來控制. 進程在因收到SIGQUIT退出時會產(chǎn)生core文件, 在這個意義上類似于一個程序錯誤信號。
4) SIGILL
執(zhí)行了非法指令. 通常是因為可執(zhí)行文件本身出現(xiàn)錯誤, 或者試圖執(zhí)行數(shù)據(jù)段. 堆棧溢出時也有可能產(chǎn)生這個信號。
5) SIGTRAP
由斷點指令或其它trap指令產(chǎn)生. 由debugger使用。
6) SIGABRT
調(diào)用abort函數(shù)生成的信號。
7) SIGBUS
非法地址, 包括內(nèi)存地址對齊(alignment)出錯。比如訪問一個四個字長的整數(shù), 但其地址不是4的倍數(shù)。它與SIGSEGV的區(qū)別在于后者是由于對合法存儲地址的非法訪問觸發(fā)的(如訪問不屬于自己存儲空間或只讀存儲空間)。
8) SIGFPE
在發(fā)生致命的算術(shù)運算錯誤時發(fā)出. 不僅包括浮點運算錯誤, 還包括溢出及除數(shù)為0等其它所有的算術(shù)的錯誤。
9) SIGKILL
用來立即結(jié)束程序的運行. 本信號不能被阻塞、處理和忽略。如果管理員發(fā)現(xiàn)某個進程終止不了，可嘗試發(fā)送這個信號。
10) SIGUSR1
留給用戶使用
11) SIGSEGV
試圖訪問未分配給自己的內(nèi)存, 或試圖往沒有寫權(quán)限的內(nèi)存地址寫數(shù)據(jù).
信號 11，即表示程序中可能存在特定條件下的非法內(nèi)存訪問。
12) SIGUSR2
留給用戶使用
13) SIGPIPE
管道破裂。這個信號通常在進程間通信產(chǎn)生，比如采用FIFO(管道)通信的兩個進程，讀管道沒打開或者意外終止就往管道寫，寫進程會收到SIGPIPE信號。此外用Socket通信的兩個進程，寫進程在寫Socket的時候，讀進程已經(jīng)終止。
14) SIGALRM
時鐘定時信號, 計算的是實際的時間或時鐘時間. alarm函數(shù)使用該信號.
15) SIGTERM
程序結(jié)束(terminate)信號, 與SIGKILL不同的是該信號可以被阻塞和處理。通常用來要求程序自己正常退出，shell命令kill缺省產(chǎn)生這個信號。如果進程終止不了，我們才會嘗試SIGKILL。
17) SIGCHLD
子進程結(jié)束時, 父進程會收到這個信號。
如果父進程沒有處理這個信號，也沒有等待(wait)子進程，子進程雖然終止，但是還會在內(nèi)核進程表中占有表項，這時的子進程稱為僵尸 進程。這種情 況我們應(yīng)該避免(父進程或者忽略SIGCHILD信號，或者捕捉它，或者wait它派生的子進程，或者父進程先終止，這時子進程的終止自動由init進程 來接管)。
18) SIGCONT
讓一個停止(stopped)的進程繼續(xù)執(zhí)行. 本信號不能被阻塞. 可以用一個handler來讓程序在由stopped狀態(tài)變?yōu)槔^續(xù)執(zhí)行時完成特定的工作. 例如, 重新顯示提示符
19) SIGSTOP
停止(stopped)進程的執(zhí)行. 注意它和terminate以及interrupt的區(qū)別:該進程還未結(jié)束, 只是暫停執(zhí)行. 本信號不能被阻塞, 處理或忽略.
20) SIGTSTP
停止進程的運行, 但該信號可以被處理和忽略. 用戶鍵入SUSP字符時(通常是Ctrl-Z)發(fā)出這個信號
21) SIGTTIN
當(dāng)后臺作業(yè)要從用戶終端讀數(shù)據(jù)時, 該作業(yè)中的所有進程會收到SIGTTIN信號. 缺省時這些進程會停止執(zhí)行.
22) SIGTTOU
類似于SIGTTIN, 但在寫終端(或修改終端模式)時收到.
23) SIGURG
有"緊急"數(shù)據(jù)或out-of-band數(shù)據(jù)到達socket時產(chǎn)生.
24) SIGXCPU
超過CPU時間資源限制. 這個限制可以由getrlimit/setrlimit來讀取/改變。
25) SIGXFSZ
當(dāng)進程企圖擴大文件以至于超過文件大小資源限制。
26) SIGVTALRM
虛擬時鐘信號. 類似于SIGALRM, 但是計算的是該進程占用的CPU時間.
27) SIGPROF
類似于SIGALRM/SIGVTALRM, 但包括該進程用的CPU時間以及系統(tǒng)調(diào)用的時間.
28) SIGWINCH
窗口大小改變時發(fā)出.
29) SIGIO
文件描述符準備就緒, 可以開始進行輸入/輸出操作.
30) SIGPWR
Power failure
31) SIGSYS
非法的系統(tǒng)調(diào)用。
三、 信號行為說明
不通的信號在不同的標(biāo)準下，功能有所差別，下面列出主要的信號的默認行為和說明：
| 名稱 | 數(shù)字 | 標(biāo)準 | 默認行為 | 說明 |
|---|---|---|---|---|
| SIGILL | 4 | ANSI | 終止+coredump | 執(zhí)行了非法指令. 通常是因為可執(zhí)行文件本身出現(xiàn)錯誤, 或者試圖執(zhí)行數(shù)據(jù)段. 堆棧溢出時也有可能產(chǎn)生這個信號 |
| SIGABRT | 6 | ANSI | 終止+coredump | 調(diào)用abort函數(shù)生成的信號 |
| SIGBUS | 7 | 4.2 BSD | 終止+coredump | 非法地址, 包括內(nèi)存地址對齊(alignment)出錯。比如訪問一個四個字長的整數(shù), 但其地址不是4的倍數(shù)。它與SIGSEGV的區(qū)別在于后者是由于對合法存儲地址的非法訪問觸發(fā)的(如訪問不屬于自己存儲空間或只讀存儲空間) |
| SIGFPE | 8 | ANSI | 終止+coredump | 在發(fā)生致命的算術(shù)運算錯誤時發(fā)出. 不僅包括浮點運算錯誤, 還包括溢出及除數(shù)為0等其它所有的算術(shù)的錯誤 |
| SIGSEGV | 11 | ANSI | 終止+coredump | 試圖訪問未分配給自己的內(nèi)存, 或試圖往沒有寫權(quán)限的內(nèi)存地址寫數(shù)據(jù)。訪問空指針，野指針基本都產(chǎn)生這個信號，也是最常見的信號 |
| SIGSTKFLT | 16 | N/A | 終止 | 堆棧錯誤 |
| SIGPIPE | 13 | POSIX | 終止 | 管道破裂。這個信號通常在進程間通信產(chǎn)生，比如采用FIFO(管道)通信的兩個進程，讀管道沒打開或者意外終止就往管道寫，寫進程會收到SIGPIPE信號。此外用Socket通信的兩個進程，寫進程在寫Socket的時候，讀進程已經(jīng)終止 |
| SIGTRAP | 5 | POSIX | 終止+coredump | 由斷點指令或其它trap指令產(chǎn)生. 由debugger使用 |
| SIGHUP | 1 | POSIX | 終止 | 用戶終端連接(正?；蚍钦?結(jié)束時發(fā)出, 通常是在終端的控制進程結(jié)束時, 通知同一session內(nèi)的各個作業(yè), 這時它們與控制終端不再關(guān)聯(lián) |
| SIGINT | 2 | ANSI | 終止 | 程序終止(interrupt)信號, 在用戶鍵入INTR字符(通常是Ctrl-C)時發(fā)出，用于通知前臺進程組終止進程 |
| SIGQUIT | 3 | POSIX | 終止+coredump | 和SIGINT類似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)來控制. 進程在因收到SIGQUIT退出時會產(chǎn)生core文件, 在這個意義上類似于一個程序錯誤信號 |
| SIGKILL | 9 | POSIX | 終止 | 用來立即結(jié)束程序的運行. 本信號不能被阻塞、捕獲和忽略。如果管理員發(fā)現(xiàn)某個進程終止不了，可嘗試發(fā)送這個信號 |
| SIGCHLD | 17 | POSIX | 忽略 | 子進程結(jié)束時, 父進程會收到這個信號。如果父進程沒有處理這個信號，也沒有等待(wait)子進程，子進程雖然終止，但是還會在內(nèi)核進程表中占有表項，這時的子進程稱為僵尸進程。這種情 況我們應(yīng)該避免(父進程或者忽略SIGCHILD信號，或者捕捉它，或者wait它派生的子進程，或者父進程先終止，這時子進程的終止自動由init進程來接管) |
| SIGCONT | 18 | POSIX | 繼續(xù)/忽略 | 讓一個停止(stopped)的進程繼續(xù)執(zhí)行. 本信號不能被阻塞 . 可以用一個handler來讓程序在由stopped狀態(tài)變?yōu)槔^續(xù)執(zhí)行時完成特定的工作. 例如, 重新顯示提示符..在進程掛起時是繼續(xù)，否則是忽略 |
| SIGSTOP | 19 | POSIX | 暫停 | 暫停進程的執(zhí)行. 注意它和terminate以及interrupt的區(qū)別:該進程還未結(jié)束, 只是暫停執(zhí)行. 本信號不能被阻塞、捕獲或忽略 |
| SIGALRM | 14 | POSIX | 終止 | 時鐘定時信號, 計算的是實際的時間或時鐘時間. alarm函數(shù)使用該信號 |
四、信號分類
在以上列出的信號中，程序不可捕獲、阻塞或忽略的信號有：
- SIGKILL,SIGSTOP
不能恢復(fù)至默認動作的信號有：
- SIGILL,SIGTRAP
默認會導(dǎo)致進程流產(chǎn)的信，有：
- SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ
默認會導(dǎo)致進程退出的信號有：
- SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2,SIGVTALRM
默認會導(dǎo)致進程停止的信號有：
- SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU
默認進程忽略的信號有：
- SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH
此外，SIGIO在SVR4是退出，在4.3BSD中是忽略;
SIGCONT在進程掛起時是繼續(xù)，否則是忽略，不能被阻塞
終止程序的時候在不得已的情況下不能用SIGKILL，因為SIGKILL不會對子進程進行處理，只是把對自己進行處理。
五、信號驅(qū)動IO-SIGIO-29
下面我們主要講SIGIO-29的使用。
參考上圖：
- 時刻1 通過sigaction系統(tǒng)調(diào)用建立信號SIGIO的信號處理函數(shù)，該函數(shù)壺立即返回，注意，對應(yīng)的驅(qū)動必須支持方法.fastnc
- 時刻2 數(shù)據(jù)此時沒有準備好，應(yīng)進程會繼續(xù)執(zhí)行，而內(nèi)核會繼續(xù)等待數(shù)據(jù)，也就是說等待數(shù)據(jù)階段應(yīng)用進程是非阻塞的。
- 時刻3 內(nèi)核準備好了數(shù)據(jù)，要向應(yīng)用進程復(fù)制數(shù)據(jù)，通過函數(shù)kill_fasync()向應(yīng)用程序遞交SIGIO信號，二應(yīng)用程序的信號處理程序會被調(diào)用到，在該函數(shù)中我們可以通過read等系統(tǒng)調(diào)用從內(nèi)核賦值程序到進程
- 時刻4 在賦值數(shù)據(jù)期間，進程阻塞
- 時刻5 數(shù)據(jù)復(fù)制完成，會返回成功的指示，應(yīng)用程序可以繼續(xù)處理數(shù)據(jù)
信號驅(qū)動 I/O 的 CPU 利用率很高，因為在圖中，等待數(shù)據(jù)的那段時間2，應(yīng)用程序可以繼續(xù)執(zhí)行其他操作。
六、程序?qū)崿F(xiàn)
1. 信號注冊函數(shù)signal()
- #include <signal.h>
- typedef void (*sighandler_t)(int);
- sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
功能：
- 給信號signum注冊處理函數(shù)，函數(shù)原型是void (*sighandler_t)(int)
- 當(dāng)收到信號signum后，就會調(diào)用注冊的函數(shù)
參數(shù):
- int signum 信號值
- sighandler_t handler 信號處理函數(shù)
2.內(nèi)核函數(shù)
- void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)
功能：
發(fā)送信號sig給進程，通知進程是可讀還是可寫，由band給出
- 發(fā)送信號sig給進程，通知進程是可讀還是可寫，由band給出
- POLLIN ：可讀
- POLLOUT：可寫
通用字符設(shè)備的.fasync方法，一般都是固定的寫法，我們暫時可以不用關(guān)心他的原理，會用即可，具體寫法如下：
- static ssize_t hello_write (struct file *filep, const char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
- {
- int error;
- …………
- kill_fasync(&hello_fasync,SIGIO,POLLIN);
- return size;
- }
- static struct file_operations hello_ops =
- {
- …………
- .fasync = hello_fasync_func,
- };
2. 源程序
驅(qū)動程序：hello.c
- /*
- *公眾號：一口Linux
- *2021.6.21
- *version: 1.0.0
- */
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/kdev_t.h>
- #include <linux/fs.h>
- #include <linux/cdev.h>
- #include <linux/uaccess.h>
- #include <linux/poll.h>
- #include<asm/signal.h>
- static int major = 237;
- static int minor = 0;
- static dev_t devno;
- static struct cdev cdev;
- struct device *class_dev = NULL;
- struct class *cls;
- struct fasync_struct *hello_fasync;
- static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
- {
- printk("hello_open()\n");
- return 0;
- }
- static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep)
- {
- printk("hello_release()\n");
- return 0;
- }
- #define KMAX_LEN 32
- char kbuf[KMAX_LEN+1] = "kernel";
- //read(fd,buff,40);
- static ssize_t hello_read (struct file *filep, char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
- {
- int error;
- if(size > strlen(kbuf))
- {
- size = strlen(kbuf);
- }
- if(copy_to_user(buf,kbuf, size))
- {
- error = -EFAULT;
- return error;
- }
- return size;
- }
- //write(fd,buff,40);
- static ssize_t hello_write (struct file *filep, const char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
- {
- int error;
- if(size > KMAX_LEN)
- {
- size = KMAX_LEN;
- }
- memset(kbuf,0,sizeof(kbuf));
- if(copy_from_user(kbuf, buf, size))
- {
- error = -EFAULT;
- return error;
- }
- printk("%s\n",kbuf);
- kill_fasync(&hello_fasync,SIGIO,POLLIN);
- return size;
- }
- int hello_fasync_func(int fd,struct file* filep,int on)
- {
- printk("led_fasync \n");
- return fasync_helper(fd,filep,on,&hello_fasync);
- }
- static struct file_operations hello_ops =
- {
- .open = hello_open,
- .release = hello_release,
- .read = hello_read,
- .write = hello_write,
- .fasync = hello_fasync_func,
- };
- static int hello_init(void)
- {
- int result;
- int error;
- printk("hello_init \n");
- result = register_chrdev( major, "hello", &hello_ops);
- if(result < 0)
- {
- printk("register_chrdev fail \n");
- return result;
- }
- cls = class_create(THIS_MODULE, "hellocls");
- if (IS_ERR(cls)) {
- printk(KERN_ERR "class_create() failed for cls\n");
- result = PTR_ERR(cls);
- goto out_err_1;
- }
- devno = MKDEV(major, minor);
- class_dev = device_create(cls, NULL, devno, NULL, "hellodev");
- if (IS_ERR(class_dev)) {
- result = PTR_ERR(class_dev);
- goto out_err_2;
- }
- return 0;
- out_err_2:
- class_destroy(cls);
- out_err_1:
- unregister_chrdev(major,"hello");
- return result;
- }
- static void hello_exit(void)
- {
- printk("hello_exit \n");
- device_destroy(cls, devno);
- class_destroy(cls);
- unregister_chrdev(major,"hello");
- return;
- }
- module_init(hello_init);
- module_exit(hello_exit);
- MODULE_LICENSE("GPL");
- //proc/devices
write.c
- /*
- *一口Linux
- *2021.6.21
- *version: 1.0.0
- */
- #include <stdio.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/stat.h>
- #include <fcntl.h>
- main()
- {
- int fd;
- int len;
- char buf[64]={0};
- char buf2[64+1]="peng";
- fd = open("/dev/hellodev",O_RDWR);
- if(fd<0)
- {
- perror("open fail \n");
- return;
- }
- printf("before write\n");
- len = write(fd,buf2,strlen(buf2));
- printf("after write\n");
- printf("len = %d\n",len);
- close(fd);
- }
test.c
- /*
- *公眾號：一口Linux
- *2021.6.21
- *version: 1.0.0
- */
- #include <stdio.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/stat.h>
- #include <fcntl.h>
- #include<signal.h>
- char buff[64] = {0};
- int fd;
- void func(int signo)
- {
- printf("signo= %d\n",signo);
- read(fd,buff,sizeof(buff));
- printf("buff=%s\n",buff);
- return ;
- }
- main()
- {
- int flage;
- fd = open("/dev/hellodev",O_RDWR);
- if(fd<0)
- {
- perror("open fail \n");
- return;
- }
- fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());
- flage=fcntl(fd,F_GETFL);
- fcntl(fd,F_SETFL,flage|FASYNC);
- signal(SIGIO,func);
- while(1);
- close(fd);
- }
3. 執(zhí)行結(jié)果
編譯
- make
- gcc test.c -o run
- gcc write.c -o run
執(zhí)行:
- insmod hello.ko
先開啟一個終端 ，執(zhí)行
- ./run
再開啟一個終端 ，執(zhí)行
- ./w
執(zhí)行結(jié)果如下：
可以看到，寫入數(shù)據(jù)后，信號處理程序被調(diào)用到，并且打印出信號的值29，同時從驅(qū)動力讀取出數(shù)據(jù)。
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