Системные вызовы и взаимодействие с UNIX. Хрестоматия по программированию на Си в Unix

6.4. Сигналы.

Процессы в UNIX используют много разных механизмов взаимодействия. Одним из них являются сигналы.

Сигналы - это асинхронные события. Что это значит? Сначала объясним, что такое синхронные события: я два раза в день подхожу к почтовому ящику и проверяю - нет ли в нем почты (событий). Во-первых, я произвожу опрос - "нет ли для меня события?", в программе это выглядело бы как вызов функции опроса и, может быть, ожидания события. Во-вторых, я знаю, что почта может ко мне прийти, поскольку я подписался на какие-то газеты. То есть я предварительно заказывал эти события.

Схема с синхронными событиями очень распространена. Кассир сидит у кассы и ожидает, пока к нему в окошечко не заглянет клиент. Поезд периодически проезжает мимо светофора и останавливается, если горит красный. Функция Си пассивно "спит" до тех пор, пока ее не вызовут; однако она всегда готова выполнить свою работу (обслужить клиента). Такое ожидающее заказа (события) действующее лицо называется сервер. После выполнения заказа сервер вновь переходит в состояние ожидания вызова. Итак, если событие ожидается в специальном месте и в определенные моменты времени (издается некий вызов для ОПРОСА) - это синхронные события. Канонический пример - функция gets, которая задержит выполнение программы, пока с клавиатуры не будет введена строка. Большинство ожиданий внутри системных вызовов - синхронны. Ядро ОС выступает для программ пользователей в роли сервера, выполняющего сисвызовы (хотя и не только в этой роли - ядро иногда предпринимает и активные действия: передача процессора другому процессу через определенное время (режим разделения времени), убивание процесса при ошибке, и.т.п.).

Сигналы - это асинхронные события. Они приходят неожиданно, в любой момент времени - вроде телефонного звонка. Кроме того, их не требуется заказывать - сигнал процессу может поступить совсем без повода. Аналогия из жизни такова: человек сидит и пишет письмо. Вдруг его окликают посреди фразы - он отвлекается, отвечает на вопрос, и вновь продолжает прерванное занятие. Человек не ожидал этого оклика (быть может, он готов к нему, но он не озирался по сторонам специально). Кроме того, сигнал мог поступить когда он писал 5-ое предложение, а мог - когда 34-ое. Момент времени, в который произойдет прерывание, не фиксирован.

Сигналы имеют номера, причем их количество ограничено - есть определенный список допустимых сигналов. Номера и мнемонические имена сигналов перечислены в includeфайле <signal.h> и имеют вид SIGнечто. Допустимы сигналы с номерами 1..NSIG-1, где NSIG определено в этом файле. При получении сигнала мы узнаем его номер, но не узнаем никакой иной информации: ни от кого поступил сигнал, ни что от нас хотят. Просто "звонит телефон". Чтобы получить дополнительную информацию, наш процесс должен взять ее из другого известного места; например - прочесть заказ из некоторого файла, об имени которого все наши программы заранее "договорились". Сигналы процессу могут поступать тремя путями:

От другого процесса, который явно посылает его нам вызовом kill(pid, sig); где pid - идентификатор (номер) процесса-получателя, а sig - номер сигнала. Послать сигнал можно только родственному процессу - запущенному тем же пользователем.
От операционной системы. Система может посылать процессу ряд сигналов, сигнализирующих об ошибках, например при обращении программы по несуществующему адресу или при ошибочном номере системного вызова. Такие сигналы обычно прекращают наш процесс.
От пользователя - с клавиатуры терминала можно нажимом некоторых клавиш послать сигналы SIGINT и SIGQUIT. Собственно, сигнал посылается драйвером терминала при получении им с клавиатуры определенных символов. Так можно прервать зациклившуюся или надоевшую программу.

Процесс-получатель должен как-то отреагировать на сигнал. Программа может:

проигнорировать сигнал (не ответить на звонок);
перехватить сигнал (снять трубку), выполнить какие-то действия, затем продолжить прерванное занятие;
быть убитой сигналом (звонок был подкреплен броском гранаты в окно);

В большинстве случаев сигнал по умолчанию убивает процесс-получатель. Однако процесс может изменить это умолчание и задать свою реакцию явно. Это делается вызовом signal:


    #include <signal.h>
    void (*signal(int sig, void (*react)() )) ();

Параметр react может иметь значение:

SIG_IGN: сигнал sig будет отныне игнорироваться. Некоторые сигналы (например SIGKILL) невозможно перехватить или проигнорировать.
SIG_DFL: восстановить реакцию по умолчанию (обычно - смерть получателя). имя_функции Например void fr(gotsig){ ..... } /* обработчик */ ... signal (sig, fr); ... /* задание реакции */ Тогда при получении сигнала sig будет вызвана функция fr, в которую в качестве аргумента системой будет передан номер сигнала, действительно вызвавшего ее gotsig==sig. Это полезно, т.к. можно задать одну и ту же функцию в качестве реакции для нескольких сигналов: ... signal (sig1, fr); signal(sig2, fr); ... После возврата из функции fr() программа продолжится с прерванного места. Перед вызовом функции-обработчика реакция автоматически сбрасывается в реакцию по умолчанию SIG_DFL, а после выхода из обработчика снова восстанавливается в fr. Это значит, что во время работы функции-обработчика может прийти сигнал, который убьет программу.

Приведем список некоторых сигналов; полное описание посмотрите в документации. Колонки таблицы: G - может быть перехвачен; D - по умолчанию убивает процесс (k), игнорируется (i); C - образуется дамп памяти процесса: файл core, который затем может быть исследован отладчиком adb; F - реакция на сигнал сбрасывается; S - посылается обычно системой, а не явно.


    сигнал         G   D   C   F   S  смысл
    SIGTERM        +   k   -   +   -  завершить процесс
    SIGKILL        -   k   -   +   -  убить процесс
    SIGINT         +   k   -   +   -  прерывание с клавиш
    SIGQUIT        +   k   +   +   -  прерывание с клавиш
    SIGALRM        +   k   -   +   +  будильник
    SIGILL         +   k   +   -   +  запрещенная команда
    SIGBUS         +   k   +   +   +  обращение по неверному
    SIGSEGV        +   k   +   +   +     адресу
    SIGUSR1, USR2  +   i   -   +   -  пользовательские
    SIGCLD         +   i   -   +   +  смерть потомка

Сигнал SIGILL используется иногда для эмуляции команд с плавающей точкой, что происходит примерно так: при обнаружении "запрещенной" команды для отсутствующего процессора "плавающей" арифметики аппаратура дает прерывание и система посылает процессу сигнал SIGILL. По сигналу вызывается функция-эмулятор плавающей арифметики (подключаемая к выполняемому файлу автоматически), которая и обрабатывает требуемую команду. Это может происходить много раз, именно поэтому реакция на этот сигнал не сбрасывается.
SIGALRM посылается в результате его заказа вызовом alarm() (см. ниже).
Сигнал SIGCLD посылается процессу-родителю при выполнении процессом-потомком сисвызова exit (или при смерти вследствие получения сигнала). Обычно процессродитель при получении такого сигнала (если он его заказывал) реагирует, выполняя в обработчике сигнала вызов wait (см. ниже). По-умолчанию этот сигнал игнорируется.
Реакция SIG_IGN не сбрасывается в SIG_DFL при приходе сигнала, т.е. сигнал игнорируется постоянно.
Вызов signal возвращает старое значение реакции, которое может быть запомнено в переменную вида void (*f)(); а потом восстановлено.
Синхронное ожидание (сисвызов) может иногда быть прервано асинхронным событием (сигналом), но об этом ниже.

Некоторые версии UNIX предоставляют более развитые средства работы с сигналами. Опишем некоторые из средств, имеющихся в BSD (в других системах они могут быть смоделированы другими способами).

Пусть у нас в программе есть "критическая секция", во время выполнения которой приход сигналов нежелателен. Мы можем "заморозить" (заблокировать) сигнал, отложив момент его поступления до "разморозки":


       |
    sighold(sig);  заблокировать сигнал
       |           :
     КРИТИЧЕСКАЯ   :<---процессу послан сигнал sig,
     СЕКЦИЯ        :  но он не вызывает реакцию немедленно,
       |           :  а "висит", ожидая разрешения.
       |           :
    sigrelse(sig); разблокировать
       |<----------- sig
       |    накопившиеся сигналы доходят,
       |    вызывается реакция.

Если во время блокировки процессу было послано несколько одинаковых сигналов sig, то при разблокировании поступит только один. Поступление сигналов во время блокировки просто отмечается в специальной битовой шкале в паспорте процесса (примерно так):


    mask |= (1 << (sig - 1));

и при разблокировании сигнала sig, если соответствующий бит выставлен, то приходит один такой сигнал (система вызывает функцию реакции). То есть sighold заставляет приходящие сигналы "накапливаться" в специальной маске, вместо того, чтобы немедленно вызывать реакцию на них. А sigrelse разрешает "накопившимся" сигналам (если они есть) прийти и вызывает реакцию на них. Функция

sigset(sig, react);

аналогична функции signal, за исключением того, что на время работы обработчика сигнала react, приход сигнала sig блокируется; то есть перед вызовом react как бы делается sighold, а при выходе из обработчика - sigrelse. Это значит, что если во время работы обработчика сигнала придет такой же сигнал, то программа не будет убита, а "запомнит" пришедший сигнал, и обработчик будет вызван повторно (когда сработает sigrelse).

Функция

sigpause(sig);

вызывается внутри "рамки"


    sighold(sig);
            ...
        sigpause(sig);
            ...
    sigrelse(sig);

и вызывает задержку выполнения процесса до прихода сигнала sig. Функция разрешает приход сигнала sig (обычно на него должна быть задана реакция при помощи sigset), и "засыпает" до прихода сигнала sig.

В UNIX стандарта POSIX для управления сигналами есть вызовы sigaction, sigproc- mask, sigpending, sigsuspend. Посмотрите в документацию!

6.4.1. Напишите программу, выдающую на экран файл /etc/termcap. Перехватывайте сигнал SIGINT, при получении сигнала запрашивайте "Продолжать?". По ответу 'y' - продолжить выдачу; по 'n' - завершить программу; по 'r' - начать выдавать файл с начала: lseek(fd,0L,0). Не забудьте заново переустановить реакцию на SIGINT, поскольку после получения сигнала реакция автоматически сбрасывается.


    #include <signal.h>
    void onintr(sig){       /* sig - номер сигнала  */
      signal (sig, onintr); /* восстановить реакцию */
      ... запрос и действия ...
    }
    main(){ signal (SIGINT, onintr); ... }

Сигнал прерывания можно игнорировать. Это делается так:


    signal (SIGINT, SIG_IGN);

Такую программу нельзя прервать с клавиатуры. Напомним, что реакция SIG_IGN сохраняется при приходе сигнала.

6.4.2. Системный вызов, находящийся в состоянии ожидания какого-то события (read ждущий нажатия кнопки на клавиатуре, wait ждущий окончания процесса-потомка, и.т.п.), может быть прерван сигналом. При этом сисвызов вернет значение "ошибка" (-1) и errno станет равно EINTR. Это позволяет нам писать системные вызовы с выставлением тайма- ута: если событие не происходит в течение заданного времени, то завершить ожидание и прервать сисвызов. Для этой цели используется вызов alarm(sec), заказывающий посылку сигнала SIGALRM нашей программе через целое число sec секунд (0 - отменяет заказ):


    #include <signal.h>
    void (*oldaction)(); int alarmed;
    /* прозвонил будильник */
    void onalarm(nsig){ alarmed++; }
        ...
    /* установить реакцию на сигнал */
    oldaction = signal (SIGALRM, onalarm);
    /* заказать будильник через TIMEOUT сек. */
    alarmed = 0; alarm ( TIMEOUT /* sec */ );
         sys_call(...);  /* ждет события */
      // если нас сбил сигнал, то по сигналу будет
      // еще вызвана реакция на него - onalarm
    if(alarmed){
      // событие так и не произошло.
      // вызов прерван сигналом т.к. истекло время.
    }else{
      alarm(0); /* отменить заказ сигнала */
      // событие произошло, сисвызов успел
      // завершиться до истечения времени.
    }
    signal (SIGALRM, oldaction);

Напишите программу, которая ожидает ввода с клавиатуры в течение 10 секунд. Если ничего не введено - печатает "Нет ввода", иначе - печатает "Спасибо". Для ввода можно использовать как вызов read, так и функцию gets (или getchar), поскольку функция эта все равно внутри себя издает системный вызов read. Исследуйте, какое значение возвращает fgets (gets) в случае прерывания ее системным вызовом.


    /* Копирование стандартного ввода на стандартный вывод
     * с установленным тайм-аутом.
     * Это позволяет использовать программу для чтения из FIFO-файлов
     * и с клавиатуры.
     * Небольшая модификация позволяет использовать программу
     * для копирования "растущего" файла (т.е. такого, который в
     * настоящий момент еще продолжает записываться).
     * Замечание:
     *       В ДЕМОС-2.2 сигнал НЕ сбивает чтение из FIFO-файла,
     *       а получение сигнала откладывается до выхода из read()
     *       по успешному чтению информации. Пользуйтесь open()-ом
     *       с флагом O_NDELAY, чтобы получить требуемый эффект.
     *
     *      Вызов: a.out /dev/tty
     *
     * По мотивам книги М.Дансмура и Г.Дейвиса.
     */
    #define WAIT_TIME 5 /* ждать 5 секунд */
    #define MAX_TRYS  5 /* максимум 5 попыток */
    #define BSIZE     256
    #define STDIN     0 /* дескриптор стандартного ввода  */
    #define STDOUT    1 /* дескриптор стандартного вывода */
    #include <signal.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    char buffer [ BSIZE ];
    extern int errno;       /* код ошибки */
    void timeout(nsig){ signal( SIGALRM, timeout ); }
    void main(argc, argv) char **argv;{
       int fd, n, trys = 0;  struct stat stin, stout;
       if( argc != 2 ){
           fprintf(stderr, "Вызов: %s файл\n", argv[0]); exit(1);
       }
       if((fd = !strcmp(argv[1],"-")? STDIN : open(argv[1],O_RDONLY)) < 0){
           fprintf(stderr, "Не могу читать %s\n", argv[1]); exit(2);
       }
       /* Проверить, что ввод не совпадает с выводом,
        *     hardcat aFile >> aFile
        * кроме случая, когда вывод - терминал.
        * Такая проверка полезна для программ-фильтров (STDIN->STDOUT),
        * чтобы исключить порчу исходной информации */
       fstat(fd, &stin); fstat(STDOUT, &stout);
       if( !isatty(STDOUT) && stin.st_ino == stout.st_ino &&
                              stin.st_dev == stout.st_dev
       ){ fprintf(stderr,
          "\aВвод == выводу, возможно потеряна информация в %s.\n",argv[1]);
          exit(33);
       }
       signal( SIGALRM, timeout );
       while( trys < MAX_TRYS ){
               alarm( WAIT_TIME ); /* заказать сигнал через 5 сек */
               /* и ждем ввода ... */
               n = read( fd, buffer, BSIZE );
               alarm(0);       /* отменили заказ сигнала */
                     /* (хотя, возможно, он уже получен) */
               /* проверяем: почему мы слезли с вызова read() ? */
               if( n < 0 && errno == EINTR ){
                   /* Мы были сбиты сигналом SIGALRM,
                    * код ошибки EINTR - сисвызов прерван
                    * неким сигналом.
                    */
                   fprintf( stderr, "\7timed out (%d раз)\n", ++trys );
                   continue;
               }
               if( n < 0 ){
                   /* ошибка чтения */
                   fprintf( stderr, "read error.\n" ); exit(4);
               }
               if( n == 0 ){
                   /* достигнут конец файла */
                   fprintf( stderr, "Достигнут EOF.\n\n" ); exit(0);
               }
               /* копируем прочитанную информацию */
               write( STDOUT, buffer, n );
               trys = 0;
       }
       fprintf( stderr, "Все попытки провалились.\n" ); exit(5);
    }

Если мы хотим, чтобы сисвызов не мог прерываться сигналом, мы должны защитить его:


    #include <signal.h>
    void (*fsaved)();
            ...
    fsaved = signal (sig, SIG_IGN);
       sys_call(...);
    signal (sig, fsaved);

или так:


    sighold(sig);
       sys_call(...);
    sigrelse(sig);

Сигналами могут быть прерваны не все системные вызовы и не при всех обстоятельствах.

6.4.3. Напишите функцию sleep(n), задерживающую выполнение программы на n секунд. Воспользуйтесь системным вызовом alarm(n) (будильник) и вызовом pause(), который задерживает программу до получения любого сигнала. Предусмотрите рестарт при получении во время ожидания другого сигнала, нежели SIGALRM. Сохраняйте заказ alarm, сделанный до вызова sleep (alarm выдает число секунд, оставшееся до завершения предыдущего заказа). На самом деле есть такая СТАНДАРТНАЯ функция. Ответ:


    #include <sys/types.h>
    #include <stdio.h>
    #include <signal.h>
    int got;   /* пришел ли сигнал */
    void onalarm(int sig)
    { printf( "Будильник\n" ); got++; } /* сигнал получен */
    void sleep(int n){
       time_t time(), start = time(NULL);
       void (*save)();
       int oldalarm, during = n;
       if( n <= 0 ) return;
       got = 0;
       save = signal(SIGALRM, onalarm);
       oldalarm = alarm(3600); /* Узнать старый заказ */
       if( oldalarm ){
           printf( "Был заказан сигнал, который придет через %d сек.\n",
                    oldalarm );
           if(oldalarm > n) oldalarm -= n;
           else { during = n = oldalarm; oldalarm = 1; }
       }
       printf( "n=%d oldalarm=%d\n", n, oldalarm );
       while( n > 0 ){
         printf( "alarm(%d)\n", n );
         alarm(n);  /* заказать SIGALRM через n секунд */
         pause();
         if(got) break;
         /* иначе мы сбиты с pause другим сигналом */
         n = during - (time(NULL) - start); /* прошло времени */
       }
       printf( "alarm(%d) при выходе\n", oldalarm );
       alarm(oldalarm);  /* alarm(0) - отмена заказа сигнала */
       signal(SIGALRM, save); /* восстановить реакцию */
    }
    void onintr(int nsig){
       printf( "Сигнал SIGINT\n"); signal(SIGINT, onintr);
    }
    void onOldAlarm(int nsig){
       printf( "Звонит старый будильник\n");
    }
    void main(){
            int time1 = 0;  /* 5, 10, 20 */
            setbuf(stdout, NULL);
            signal(SIGINT, onintr);
            signal(SIGALRM, onOldAlarm); alarm(time1);
                        sleep(10);
            if(time1) pause();
            printf("Чао!\n");
    }

6.4.4. Напишите "часы", выдающие текущее время каждые 3 секунды.


    #include <signal.h>
    #include <time.h>
    #include <stdio.h>
    void tick(nsig){
       time_t tim; char *s;
       signal (SIGALRM, tick);
       alarm(3); time(&tim);
       s = ctime(&tim);
       s[ strlen(s)-1 ] = '\0'; /* обрубить '\n' */
       fprintf(stderr, "\r%s", s);
    }
    main(){ tick(0);
            for(;;) pause();
    }

Назад | Содержание | Вперед