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Linux内核信号SIGIO使用实例讲解
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Linux内核信号SIGIO使用实例讲解
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SIGIO
一口Linux
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发布时间: 2021-07-14
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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。 ![ ](https://img-blog.csdnimg.cn/20210618225828307.png) 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: ```bash SIGKILL,SIGSTOP ``` 不能恢复至默认动作的信号有: ```bash SIGILL,SIGTRAP ``` 默认会导致进程流产的信,有: ```bash SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ ``` 默认会导致进程退出的信号有: ```bash 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: ```bash SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU ``` 默认进程忽略的信号有: ```bash 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。 ![ ](https://img-blog.csdnimg.cn/20210619230916870.png) 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() ```c #include
typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); ``` 功能: ```bash 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: ```c int signum 信号值 sighandler_t handler 信号处理函数 ``` ### 2.内核函数 ```c void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band) ``` 功能: ```c 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: ```c 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 ```c /@@* *公众号:一口Linux *2021.6.21 *version: 1.0.0 */ #include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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 ```c /@@* *一口Linux *2021.6.21 *version: 1.0.0 */ #include
#include
#include
#include
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 ```c /@@* *公众号:一口Linux *2021.6.21 *version: 1.0.0 */ #include
#include
#include
#include
#include
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 ```bash make gcc test.c -o run gcc write.c -o run ``` 执行: ```bash insmod hello.ko ``` 先开启一个终端 ,执行 ```c ./run ``` 再开启一个终端 ,执行 ```c ./w ``` 执行结果如下: ![ ](https://img-blog.csdnimg.cn/2021062000003730.png) 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。 本例以字符设备为基础来实现,详细原理,请参考博主其他文章。 《[Linux驱动系列文章合集](https://blog.csdn.net/daocaokafei/category_10323327.html)》 完整代码和执行环境,请关注,一口君的号,后台回复:ubuntu B站也有同步视频,
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