UNIX环境高级编程——sigqueue、sigsuspend函数

一、sigqueue函数

功能：新的发送信号系统调用,主要是针对实时信号提出的支持信号带有参数,与函数sigaction()配合使用。

int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

参数：

sigqueue的第一个参数是指定接收信号的进程id，第二个参数确定即将发送的信号，第三个参数是一个联合数据结构union sigval，指定了信号传递的参数，即通常所说的4字节值。

在调用sigqueue时，sigval指定的信息会拷贝到3参数信号处理函数（3参数信号处理函数指的是信号处理函数由sigaction安装，并设定了sa_sigaction指针）的siginfo_t结构中，这样信号处理函数就可以处理这些信息了。由于sigqueue系统调用支持发送带参数信号，所以比kill()系统调用的功能要灵活和强大得多。

信号参数的传递过程可图示如下：

返回值：成功返回0,失败返回-1

typedef union sigval
 {
int sival_int;
void *sival_ptr;
}sigval_t; 

sigqueue()比kill()传递了更多的附加信息，但sigqueue()只能向一个进程发送信号，而不能发送信号给一个进程组。

注意：sigqueue（）发送非实时信号时，第三个参数包含的信息仍然能够传递给信号处理函数； sigqueue（）发送非实时信号时，仍然不支持排队，即在信号处理函数执行过程中到来的所有相同信号，都被合并为一个信号。

写两个小程序测试一下：

首先是接收信号：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

void handler(int, siginfo_t *, void *);

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act;
    act.sa_sigaction = handler; //sa_sigaction与sa_handler只能取其一
    //sa_sigaction多用于实时信号，可以保存信息
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = SA_SIGINFO; // 设置标志位后可以接收其他进程
    // 发送的数据，保存在siginfo_t结构体中

    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) < 0)
        ERR_EXIT("sigaction error");

    for (; ;)
        pause();

    return 0;

}

void handler(int sig, siginfo_t *info, void *ctx)
{
    printf("recv a sig=%d data=%d data=%d\n",
           sig, info->si_value.sival_int, info->si_int);

}

在前面的《UNIX环境高级编程——信号（API）》中说过，sa_sigaction与SA_SIGINFO要配合使用，如上所示，siginfo_t 结构体也可以参见这篇文章。

然后是信号发送：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        fprintf(stderr, "Usage %s pid\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid_t pid = atoi(argv[1]); //字符串转换为整数
    union sigval val;
    val.sival_int = 100;
    sigqueue(pid, SIGINT, val); // 只可以发信号给某个进程，而不能是进程组

    return 0;

}

测试如下：

先运行recv程序：

huangcheng@ubuntu:~$ ./sigqueue_recv

再ps出recv进程的pid，然后运行send程序：

huangcheng@ubuntu:~$ ./sigqueue_send 2222
huangcheng@ubuntu:~$ ./sigqueue_send 2222
huangcheng@ubuntu:~$ ./sigqueue_send 2222
huangcheng@ubuntu:~$ ./sigqueue_send 2222

则recv进程会输出一条recv语句，当然我们也可以ctrl+c 给自己发送信号，如下所示，结果是一样的。

huangcheng@ubuntu:~$ ./sigqueue_recv
recv a sig=2 data=100 data=100
recv a sig=2 data=100 data=100
recv a sig=2 data=100 data=100
recv a sig=2 data=100 data=100
^Crecv a sig=2 data=100 data=100
^Crecv a sig=2 data=100 data=100
^Crecv a sig=2 data=100 data=100
^Crecv a sig=2 data=100 data=100
............................................................

需要提醒一下的是siginfo_t 结构体的两个参数
（int      si_int;      /* POSIX.1b signal */      
  void    *si_ptr;      /* POSIX.1b signal */）的值也会与si_value 一致，取决于发送的是sival_int 还是 sival_ptr。

二、利用pause和alarm函数实现sleep函数

#include <unistd.h>
int pause(void);

pause函数使调用进程挂起直到有信号递达。如果信号的处理动作是终止进程，则进程终止，pause函数没有机会返回；如果信号的处理动作是忽略，则进程继续处于挂起状态，pause不返回；如果信号的处理动作是捕捉，则调用了信号处理函数之后pause返回-1，errno设置为EINTR，所以pause只有出错的返回值。错误码EINTR表示“被信号中断”。

下面使用pause和alarm实现sleep(3)函数，称为mysleep：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>

void sig_alrm(int signo)
{
    /* nothing to do */
}

unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
{
    struct sigaction newact, oldact;
    unsigned int unslept;

    newact.sa_handler = sig_alrm;
    sigemptyset(&newact.sa_mask);
    newact.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);

    alarm(nsecs);
    pause();

    unslept = alarm(0);
    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);

    return unslept;
}

int main(void)
{
    while (1)
    {
        mysleep(2);
        printf("Two seconds passed\n");
    }
    return 0;
}

1. main函数调用mysleep函数，后者调用sigaction注册了SIGALRM信号的处理函数sig_alrm。
2. 调用alarm(nsecs)设定闹钟。
3. 调用pause等待，内核切换到别的进程运行。
4. nsecs秒之后，闹钟超时，内核发SIGALRM给这个进程。
5. 从内核态返回这个进程的用户态之前处理未决信号，发现有SIGALRM信号，其处理函数是sig_alrm。
6. 切换到用户态执行sig_alrm函数，进入sig_alrm函数时SIGALRM信号被自动屏蔽，从sig_alrm函数返回时SIGALRM信号自动解除屏蔽。然后自动执行系统调用sigreturn再次进入内核，再返回用户态继续执行进程的主控制流程（main函数调用的mysleep函数）。
7. pause函数返回-1，然后调用alarm(0)取消闹钟，调用sigaction恢复SIGALRM信号以前的处理动作。

需要注意的是虽然sig_alrm函数什么都没干，但还是得注册作为SIGALRM的处理函数，因为SIGALRM信号的默认处理是终止进程，这也是在mysleep函数返回时要恢复SIGALRM信号原来的sigaction的原因。此外，mysleep函数的返回值表示“未睡到”的时间，即unslept，当尚未计时到nsecs而pause函数先被其他信号处理函数所中断返回，在外界看来就是在sleep期间被其他信号处理函数中断了，则mysleep返回非0值，即unslept。如sleep(3)的man 手册写的返回值：

RETURN VALUE： Zero if the requested time has elapsed, or the number of seconds left to sleep, if the call was interrupted  by  a signal handler.

当然如果是被SIGALRM handler所中断，则表示睡眠时间到，mysleep返回值为0。

三、竞态条件与sigsuspend函数

现在重新审视上面的mysleep函数，设想这样的时序：

1. 注册SIGALRM信号的处理函数。
2. 调用alarm(nsecs)设定闹钟。
3. 内核调度优先级更高的进程取代当前进程执行，并且优先级更高的进程有很多个，每个都要执行很长时间
4. nsecs秒钟之后闹钟超时了，内核发送SIGALRM信号给这个进程，处于未决状态。
5. 优先级更高的进程执行完了，内核要调度回这个进程执行。SIGALRM信号递达，执行处理函数sig_alrm之后再次进入内核。
6. 返回这个进程的主控制流程，alarm(nsecs)返回，调用pause()挂起等待。
7. 可是SIGALRM信号已经处理完了，还等待什么呢？
      出现这个问题的根本原因是系统运行的时序（Timing）并不像我们写程序时所设想的那样。虽然alarm(nsecs)紧接着的下一行就是pause()，但是无法保证pause()一定会在调用alarm(nsecs)之后的nsecs秒之内被调用。由于异步事件在任何时候都有可能发生（这里的异步事件指出现更高优先级的进程），如果我们写程序时考虑不周密，就可能由于时序问题而导致错误，这叫做竞态条件（Race Condition）。

如何解决上述问题呢？我们可能会想到，在调用pause之前屏蔽SIGALRM信号使它不能提前递达就可以了。看看以下方法可行吗？
1. 屏蔽SIGALRM信号;
2. alarm(nsecs);
3. 解除对SIGALRM信号的屏蔽;
4. pause();

从解除信号屏蔽到调用pause之间存在间隙，SIGALRM仍有可能在这个间隙递达。要消除这个间隙，我们把解除屏蔽移到pause后面可以吗？
1. 屏蔽SIGALRM信号;
2. alarm(nsecs);
3. pause();
4. 解除对SIGALRM信号的屏蔽;

这样更不行了，还没有解除屏蔽就调用pause，pause根本不可能等到SIGALRM信号。要是“解除信号屏蔽”和“挂起等待信号”这两步能合并成一个原子操作就好了，这正是sigsuspend函数的功能。sigsuspend包含了pause的挂起等待功能，同时解决了竞态条件的问题，在对时序要求严格的场合下都应该调用sigsuspend而不是pause。

#include <signal.h>

int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

和pause一样，sigsuspend没有成功返回值，只有执行了一个信号处理函数之后sigsuspend才返回，返回值为-1，errno设置为EINTR。
调用sigsuspend时，进程的信号屏蔽字由sigmask参数指定，可以通过指定sigmask来临时解除对某个信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值，如果原来对该信号是屏蔽的，从sigsuspend返回后仍然是屏蔽的。

以下用sigsuspend重新实现mysleep函数：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>

void sig_alrm(int signo)
{
    /* nothing to do */
}

unsigned int mysleep(unsigned int nsecs)
{
    struct sigaction newact, oldact;
    sigset_t newmask, oldmask, suspmask;
    unsigned int unslept;

    /* set our handler, save previous information */
    newact.sa_handler = sig_alrm;
    sigemptyset(&newact.sa_mask);
    newact.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);

    /* block SIGALRM and save current signal mask */
    sigemptyset(&newmask);
    sigaddset(&newmask, SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);

    alarm(nsecs);

    suspmask = oldmask;
    sigdelset(&suspmask, SIGALRM); /* make sure SIGALRM isn't block */

    sigsuspend(&suspmask); /* wait for any signal to be caught */

    /* some signal has been caught. SIGALRM is now blocked */
    unslept = alarm(0);
    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL); /* reset previous action */

    /* reset signal mask, which unblocks SIGALRM */
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
    return(unslept);
}

int main(void)
{
    while (1)
    {
        mysleep(2);
        printf("Two seconds passed\n");
    }
    return 0;
}

如果在调用mysleep函数时SIGALRM信号没有屏蔽：
1. 调用sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);时屏蔽SIGALRM。
2. 调用sigsuspend(&suspmask);时解除对SIGALRM的屏蔽，然后挂起等待待。
3. SIGALRM递达后suspend返回，自动恢复原来的屏蔽字，也就是再次屏蔽SIGALRM。
4. 调用sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);时再次解除对SIGALRM的屏蔽。