Linux内核信号SIGIO使用实例讲解

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一、信号

1. 基本概念

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

例如键盘输入中断按键(^C)，它的发生在程序执行过程中是不可预测的。

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，可以看作是异步通知，通知接收信号的进程有哪些事情发生了。

硬件异常也能产生信号，例如被零除、无效内存引用(test里产生的就是这种错误)等。这些条件通常先由内核硬件检测到，然后通知内核。内核将决定产生什么样的信号。

同一个信号的额外发生通常不会被排队。如果信号在被阻塞时发生了5次，当我们反阻塞这个信号时，这个信号的信号处理函数通常只被调用一次。

同一时刻只能处理一个信号，在信号处理函数发信号给自己时，该信号会被pending。

信号的数值越小，则优先级越高。当进程收到多个待处理信号时，总是先处理优先级别高的信号。

信号处理函数的栈可以使用被中断的也可以使用独立的，具体可以通过系统调用设置。

信号机制经过POSIX实时扩展后，功能更加强大，除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。

2. 处理方式

忽略：接收到信号后不做任何反应。捕获：用自定义的信号处理函数来执行特定的动作。默认：接收到信号后按系统默认的行为处理该信号。这是多数应用采取的处理方式。

二、Linux下的信号类型

使用kill -l就会显示出linux支持的信号列表。

其中列表中，编号为1 ~ 31的信号为传统UNIX支持的信号，是不可靠信号(非实时的)，编号为32 ~ 63的信号是后来扩充的，称做可靠信号(实时信号)。不可靠信号和可靠信号的区别在于前者不支持排队，可能会造成信号丢失，而后者不会。

下面我们对编号小于SIGRTMIN的信号进行讨论(下面的编号 依次对应信号 的数值为1 - 31)。

1) SIGHUP

本信号在用户终端连接(正常或非正常)结束时发出, 通常是在终端的控制进程结束时, 通知同一session内的各个作业, 这时它们与控制终端不再关联。

登录Linux时，系统会分配给登录用户一个终端(Session)。在这个终端运行的所有程序，包括前台进程组和后台进程组，一般都 属于这个 Session。当用户退出Linux登录时，前台进程组和后台有对终端输出的进程将会收到SIGHUP信号。这个信号的默认操作为终止进程，因此前台进 程组和后台有终端输出的进程就会中止。不过可以捕获这个信号，比如wget能捕获SIGHUP信号，并忽略它，这样就算退出了Linux登录，wget也 能继续下载。

此外，对于与终端脱离关系的守护进程，这个信号用于通知它重新读取配置文件。

2) SIGINT

程序终止(interrupt)信号, 在用户键入INTR字符(通常是Ctrl-C)时发出，用于通知前台进程组终止进程。

3) SIGQUIT

和SIGINT类似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)来控制. 进程在因收到SIGQUIT退出时会产生core文件, 在这个意义上类似于一个程序错误信号。

4) SIGILL

执行了非法指令. 通常是因为可执行文件本身出现错误, 或者试图执行数据段. 堆栈溢出时也有可能产生这个信号。

5) SIGTRAP

由断点指令或其它trap指令产生. 由debugger使用。

6) SIGABRT

调用abort函数生成的信号。

7) SIGBUS

非法地址, 包括内存地址对齐(alignment)出错。比如访问一个四个字长的整数, 但其地址不是4的倍数。它与SIGSEGV的区别在于后者是由于对合法存储地址的非法访问触发的(如访问不属于自己存储空间或只读存储空间)。

8) SIGFPE

在发生致命的算术运算错误时发出. 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。

9) SIGKILL

用来立即结束程序的运行. 本信号不能被阻塞、处理和忽略。如果管理员发现某个进程终止不了，可尝试发送这个信号。

10) SIGUSR1

留给用户使用

11) SIGSEGV

试图访问未分配给自己的内存, 或试图往没有写权限的内存地址写数据.

信号 11，即表示程序中可能存在特定条件下的非法内存访问。

12) SIGUSR2

留给用户使用

13) SIGPIPE

管道破裂。这个信号通常在进程间通信产生，比如采用FIFO(管道)通信的两个进程，读管道没打开或者意外终止就往管道写，写进程会收到SIGPIPE信号。此外用Socket通信的两个进程，写进程在写Socket的时候，读进程已经终止。

14) SIGALRM

时钟定时信号, 计算的是实际的时间或时钟时间. alarm函数使用该信号.

15) SIGTERM

程序结束(terminate)信号, 与SIGKILL不同的是该信号可以被阻塞和处理。通常用来要求程序自己正常退出，shell命令kill缺省产生这个信号。如果进程终止不了，我们才会尝试SIGKILL。

17) SIGCHLD

子进程结束时, 父进程会收到这个信号。

如果父进程没有处理这个信号，也没有等待(wait)子进程，子进程虽然终止，但是还会在内核进程表中占有表项，这时的子进程称为僵尸 进程。这种情 况我们应该避免(父进程或者忽略SIGCHILD信号，或者捕捉它，或者wait它派生的子进程，或者父进程先终止，这时子进程的终止自动由init进程 来接管)。

18) SIGCONT

让一个停止(stopped)的进程继续执行. 本信号不能被阻塞. 可以用一个handler来让程序在由stopped状态变为继续执行时完成特定的工作. 例如, 重新显示提示符

19) SIGSTOP

停止(stopped)进程的执行. 注意它和terminate以及interrupt的区别:该进程还未结束, 只是暂停执行. 本信号不能被阻塞, 处理或忽略.

20) SIGTSTP

停止进程的运行, 但该信号可以被处理和忽略. 用户键入SUSP字符时(通常是Ctrl-Z)发出这个信号

21) SIGTTIN

当后台作业要从用户终端读数据时, 该作业中的所有进程会收到SIGTTIN信号. 缺省时这些进程会停止执行.

22) SIGTTOU

类似于SIGTTIN, 但在写终端(或修改终端模式)时收到.

23) SIGURG

有"紧急"数据或out-of-band数据到达socket时产生.

24) SIGXCPU

超过CPU时间资源限制. 这个限制可以由getrlimit/setrlimit来读取/改变。

25) SIGXFSZ

当进程企图扩大文件以至于超过文件大小资源限制。

26) SIGVTALRM

虚拟时钟信号. 类似于SIGALRM, 但是计算的是该进程占用的CPU时间.

27) SIGPROF

类似于SIGALRM/SIGVTALRM, 但包括该进程用的CPU时间以及系统调用的时间.

28) SIGWINCH

窗口大小改变时发出.

29) SIGIO

文件描述符准备就绪, 可以开始进行输入/输出操作.

30) SIGPWR

Power failure

31) SIGSYS

非法的系统调用。

三、 信号行为说明

不通的信号在不同的标准下，功能有所差别，下面列出主要的信号的默认行为和说明：

名称	数字	标准	默认行为	说明
SIGILL	4	ANSI	终止+coredump	执行了非法指令. 通常是因为可执行文件本身出现错误, 或者试图执行数据段. 堆栈溢出时也有可能产生这个信号
SIGABRT	6	ANSI	终止+coredump	调用abort函数生成的信号
SIGBUS	7	4.2 BSD	终止+coredump	非法地址, 包括内存地址对齐(alignment)出错。比如访问一个四个字长的整数, 但其地址不是4的倍数。它与SIGSEGV的区别在于后者是由于对合法存储地址的非法访问触发的(如访问不属于自己存储空间或只读存储空间)
SIGFPE	8	ANSI	终止+coredump	在发生致命的算术运算错误时发出. 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
SIGSEGV	11	ANSI	终止+coredump	试图访问未分配给自己的内存, 或试图往没有写权限的内存地址写数据。访问空指针，野指针基本都产生这个信号，也是最常见的信号
SIGSTKFLT	16	N/A	终止	堆栈错误
SIGPIPE	13	POSIX	终止	管道破裂。这个信号通常在进程间通信产生，比如采用FIFO(管道)通信的两个进程，读管道没打开或者意外终止就往管道写，写进程会收到SIGPIPE信号。此外用Socket通信的两个进程，写进程在写Socket的时候，读进程已经终止
SIGTRAP	5	POSIX	终止+coredump	由断点指令或其它trap指令产生. 由debugger使用
SIGHUP	1	POSIX	终止	用户终端连接(正常或非正常)结束时发出, 通常是在终端的控制进程结束时, 通知同一session内的各个作业, 这时它们与控制终端不再关联
SIGINT	2	ANSI	终止	程序终止(interrupt)信号, 在用户键入INTR字符(通常是Ctrl-C)时发出，用于通知前台进程组终止进程
SIGQUIT	3	POSIX	终止+coredump	和SIGINT类似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)来控制. 进程在因收到SIGQUIT退出时会产生core文件, 在这个意义上类似于一个程序错误信号
SIGKILL	9	POSIX	终止	用来立即结束程序的运行. 本信号不能被阻塞、捕获和忽略。如果管理员发现某个进程终止不了，可尝试发送这个信号
SIGCHLD	17	POSIX	忽略	子进程结束时, 父进程会收到这个信号。如果父进程没有处理这个信号，也没有等待(wait)子进程，子进程虽然终止，但是还会在内核进程表中占有表项，这时的子进程称为僵尸进程。这种情 况我们应该避免(父进程或者忽略SIGCHILD信号，或者捕捉它，或者wait它派生的子进程，或者父进程先终止，这时子进程的终止自动由init进程来接管)
SIGCONT	18	POSIX	继续/忽略	让一个停止(stopped)的进程继续执行. 本信号不能被阻塞 . 可以用一个handler来让程序在由stopped状态变为继续执行时完成特定的工作. 例如, 重新显示提示符..在进程挂起时是继续，否则是忽略
SIGSTOP	19	POSIX	暂停	暂停进程的执行. 注意它和terminate以及interrupt的区别:该进程还未结束, 只是暂停执行. 本信号不能被阻塞、捕获或忽略
SIGALRM	14	POSIX	终止	时钟定时信号, 计算的是实际的时间或时钟时间. alarm函数使用该信号

四、信号分类

在以上列出的信号中，程序不可捕获、阻塞或忽略的信号有：

SIGKILL,SIGSTOP  

不能恢复至默认动作的信号有：

SIGILL,SIGTRAP  

默认会导致进程流产的信，有：

SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ  

默认会导致进程退出的信号有：

SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2,SIGVTALRM  

默认会导致进程停止的信号有：

SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU  

默认进程忽略的信号有：

SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH 

此外，SIGIO在SVR4是退出，在4.3BSD中是忽略;

SIGCONT在进程挂起时是继续，否则是忽略，不能被阻塞

终止程序的时候在不得已的情况下不能用SIGKILL，因为SIGKILL不会对子进程进行处理，只是把对自己进行处理。

五、信号驱动IO-SIGIO-29

下面我们主要讲SIGIO-29的使用。

参考上图：

• 时刻1 通过sigaction系统调用建立信号SIGIO的信号处理函数，该函数壶立即返回，注意，对应的驱动必须支持方法.fastnc
• 时刻2 数据此时没有准备好，应进程会继续执行，而内核会继续等待数据，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。
• 时刻3 内核准备好了数据，要向应用进程复制数据，通过函数kill_fasync()向应用程序递交SIGIO信号，二应用程序的信号处理程序会被调用到，在该函数中我们可以通过read等系统调用从内核赋值程序到进程
• 时刻4 在赋值数据期间，进程阻塞
• 时刻5 数据复制完成，会返回成功的指示，应用程序可以继续处理数据

信号驱动 I/O 的 CPU 利用率很高，因为在图中，等待数据的那段时间2，应用程序可以继续执行其他操作。

六、程序实现

1. 信号注册函数signal()

#include <signal.h> 
typedef void (*sighandler_t)(int); 
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); 

功能：

给信号signum注册处理函数，函数原型是void (*sighandler_t)(int) 
当收到信号signum后，就会调用注册的函数 

参数:

int signum  信号值 
sighandler_t handler  信号处理函数 

2.内核函数

void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band) 

功能：

发送信号sig给进程，通知进程是可读还是可写，由band给出

发送信号sig给进程，通知进程是可读还是可写，由band给出 
POLLIN    ：可读 
POLLOUT：可写 

通用字符设备的.fasync方法，一般都是固定的写法，我们暂时可以不用关心他的原理，会用即可，具体写法如下：

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

驱动程序：hello.c

/*   
 *公众号：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

/*   
 *公众号：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. 执行结果

编译

make 
gcc test.c -o run 
gcc write.c -o run 

执行:

insmod hello.ko 

先开启一个终端 ，执行

./run 

再开启一个终端 ，执行

./w 

执行结果如下：

 

可以看到，写入数据后，信号处理程序被调用到，并且打印出信号的值29，同时从驱动力读取出数据。

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