[Network Programming] POSIX Signal Handling | POSIX 신호 처리

POSIX Signal Handling

POSIX 신호 처리

- UNIX에서 Signal은 Process에 어떤 Event가 발생했음을 알리는 수단이다.
- Signal은 Kernel이 User-Process에게 전달할 수도 있고, 다른 User-Process가 전달할 수도 있다.
- Signal을 S/W Interrupt라 부르기도 한다.
- 대부분의 Signal은 Asynchronous하게 발생되기 때문에, Process는 Signal이 발생한 정확한 시점을 알 수 없다.
- Signal들은 발생했을 때의 대처방법인 Disposition(=Action)대로 수행된다.

* signal Linux Manual Page (URL)

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Signal Dispositions (Signal Actions)
- 발생한 Event의 종류에 따른 대처방법이다.

Dispositions	Description
Term	Signal이 발생된 프로세스는 종료된다.
Ign	전달받은 Signal을 무시한다.
Core	종료 시, Core의 Memory Image를 Dump하여 Kernel에 보관한 후 종료한다. 저장된 Memory Image는 Debugging등에 이용된다.
Stop	Signal이 발생된 프로세스를 정지시킨다.
Cont	Signal이 발생된 프로세스를 재개한다. (Continue)

1) 특정 Signal이 발생할 때 마다 Signal Handler 호출한다.
- Signal이 발생되면, Kernel에 의해 Signal Handler가 수행된다.
- 특정 Signal이 발생하여 해당 Signal에 대한 Signal Handler를 호출하는 것을 "Catching Signal"이라 표현한다.
- Signal Handler는 신호들을 구분짓는 int형 변수(\(\texttt{signo}\))를 Argument를 갖는다.
- Signal Handler가 수행될 동안, 해당 Signal은 Blocked되어 프로세스에 전달되지 못한다.
  (또한, \(\texttt{sa_mask}\)에 추가적으로 지정된 Signal도 Blocked된다.
- 만약, Blocked Signal이 Blocking 중에도 한 번 이상 발생되면, Blocked 상태에서 해제된 이후에 프로세스에게 한 번만 전달된다.
  (어찌됐든, Blocked 상태에서는 프로세스에게 전달되지 않으며, 몇 번 발생됐건 한 번만 전달된다. 즉, 기본적으로 UNIX Signal들은 Queue에 쌓이지 않는다.)
- 대부분의 Signal들은 \(\texttt{sigaction()}\)을 호출하여 Signal이 발생될 때 호출할 함수를 지정받는다.
- Signal들 중, \(\texttt{SIGKILL}\)과 \(\texttt{SIGSTOP}\)은 Catching될 수 없다.

2) \(\texttt{SIG_IGN}\)을 설정하여 Signal의 발생을 무시한다.
- 단, \(\texttt{SIGKILL}\)과 \(\texttt{SIGSTOP}\)은 무시할 수 없다.

3) \(\texttt{SIG_DFL}\)를 설정하여 Default Disposition으로 설정한다.
- Default Disposition이란, Signal이 발생되면, 해당 프로세스를 종료시키는 것이다.
- 어떤 Signal에 대해서는 프로세스의 Core Image를 현재 Working Directory에 생성하게 한다.
- \(\texttt{SIGCHLD}\)와 \(\texttt{SIGURG}\)의 Default Disposition은 IGN(Ignoring)이다.

※ Slow System Call을 수행중이던 프로세스에게 Signal 발생 Event가 통보되면,
   해당 Signal에 대한 Signal Handler가 수행된 후, Error를 리턴하고 즉시 종료된다.
- Signal Handler에 의한 Context 변경을 우려하여 프로세스를 종료시키는 것이다.
- Signal Handler는 Asynchronous하게 실행되고, 다른 스레드가 실행하는 것이기 때문에
  프로그램 실행에 영향을 주는 특정 데이터값을 변경할 가능성이 다분하다고 판단하고 지레 종료시키는 것이다.
ex) Simple Echo 프로그램에서 \(\texttt{SIGCHLD}\)가 발생되면, 미리 지정해놓았던 Signal Handler가 수행되고,
     \(\texttt{accept()}\)에서 Blocked되어 있던 Parent는 종료된다.
     (다시 \(\texttt{accept()}\)를 수행하거나 다시 Blocked 상태로 들어가지 않는다.)

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Why Signals Sent (Signal이 발생하는 이유)

1) \(\texttt{kill()}\) System Call

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

2) \(\texttt{kill}\) Command
- 대부분의 Command들은 그에 대응되는 System Call이 있으며, 해당 Command를 실행하면 System Call이 호출된다.

3) Terminal Characters

   a) SIGINT Signal
- 키보드로부터 Ctrl+C가 입력되면 전송되는 Signal이다.

   b) SIGTSTP Signal
- 키보드로부터 Ctrl+Z가 입력되는 전송되는 Signal이다.

   c) Etc

4) H/W Condition

   a) CPU Trap

   b) SIGFPE Signal

   c) SIGSEGV Signal
- Signal for Segment Violation
- 프로세스에 할당된 Segment에 대한 정보 불일치가 발생한 경우 전송되는 Signal이다.

5) S/W Condition
   
   a) SIGURG
- 네트워크 상에서 Urgent Data를 전송할 때 사용하는 Signal이다.

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\(\texttt{signal()}\) Function (User-Defined)

#include <signal.h>
// sigaction() Function
// sigemptyset() Function
// sigaction Structure

typedef void Sigfunc(int);
// void Sigfunc(int) 함수 포인터 타입 이름을 Sigfunc로 치환한다.
// 즉, void func(int)가 하나의 Type이 되는것이다.

Sigfunc *signal(int signo, Sigfunc *func)
// void (*signal(int signo, void (*func) (int))) (int);   typedef Alias를 생략할 경우
{
    struct sigaction act, oact;
    
    act.sa_handler = func;
    
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    // Signal Set "act.sa_mask"에 포함된 모든 Signal들을 비운다.
    // sa_mask는 Signal Handler가 호출될 때, Blocked될 Signal들이 저장되는 변수이다.
    // 즉, sa_mask가 비어있으면, Signal Handler가 수행되는 동안, 어떠한 Signal도 Blocked되지 않음을 의미한다.
    // Blocked Signal은 프로세스에 전달될 수 없다. 
    
    act.sa_flags = 0;
    
    if(signo == SIGALRM) {
#ifdef SA_INTERRUPT
        act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;    /* SunOS 4.x */
        // SA_RESTART Flag의 Complement이다.
        // Catching한 Signal이 SIGALRM이고, SA_INTERRUPT가 정의되어 있다면, SA_INTERRUPT Flag를 지정한다.
#endif
    } else {
#ifdef SA_RESTART
        act.sa_flags |= SA_RESTART;      /* SVR4, 4.4BSD */
        // SA_RESTART
        // OPtional Flag
        // SA_RESTART가 설정되어 있으면, 이 Signal에 의해 일시중지된 System Call은 자동으로 Kernel에 의해 다시 시작된다.
        // Catching한 Signal이 SIGALRM이 아니고, SA_RESTART가 정의되어 있다면, SA_RESTART Flag를 지정한다.
        // SIGALRM은 일반적으로 IO 시간만료가 발생했을 때 생성되는데, 이 경우, Signal이 Blocked된 System Call을 일시중지시킨다.
#endif
    }
    
    if (sigaction(signo, &act, &oact) < 0)
    // signo Signal에 대한 Disposition을 리턴한다.
        return (SIG_ERR);
    return (oact.sa_handler);
}

Sigfunc *Signal(int signo, Sigfunc *func)
{
	Sigfunc	*sigfunc;

	if ( (sigfunc = signal(signo, func)) == SIG_ERR) {
	    printf("signal error");
            exit(1);
    }
	return(sigfunc);
}

- Signal() 함수는 signo Signal의 Handler를 func으로 설정하고, sa_mask를 비운다.

Arguments:
1) int signo
- Signal의 이름 역할을 하는 정수값이다.

2) Sigfunc *func
- Function Pointer 이거나, 상수 SIG_IGN과 SIG_DFL 중 하나이다.

* \(\texttt{sigaction}\) Structure

// in <signal.h>

struct sigaction {
    void       (*sa_handler)(int);
    void       (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void       (*sa_restorer)(void);
};

* sigemptyset() Function

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);

int sigfillset(sigset_t *set);

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

※ sigprocmask() 함수를 이용하여 선택적으로 Signal들을 Block하거나 Unblock할 수 있다.
- 이를 이용하여 Critical Region을 실행하는 동안, Signal이 Catching되지 않게 하여 보호할 수 있다.

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SIGCHLD Signal (= SIGCLD Signal)

- Parent가 fork()를 통해 Child를 생성할 때, Child가 Zombie가 되는 것을 방지하기 위해 wait하는데,
  SIGCHLD를 Catching하는 Signal Handler에서 wait을 수행한다.
- SIGCHLD Signal의 Default Disposition은 IGN(Ignore)이다.
  (SIGCHLD에 대한 Signal Handler가 지정되어 있지 않은 경우, 무시된다.)

* Zombie State (Z State)
- 좀비 상태는 Parent가 추후에 Child에 대한 정보를 Fetch하는 경우를 위해 존재하는 상태이다.
  (Fetch하는 정보 : Child의 PID, Termination Status, Child의 Resource Utilization 등)
- 좀비 상태인 프로세스의 PPID는 1(init Process)이며, init 프로세스는 좀비 프로세스를 제거한다.
- 좀비 프로세스는 Kernel 공간을 차지하기 때문에, 적절히 처리해야 한다.

* Slow System Call
- 영원히 Block될 가능성이 있는 System Call을 의미한다.
- accept()의 경우, 클라이언트가 연결을 영원히 요청하지 않을 경우, 영원히 Block 상태에 머물게 된다.
- read()의 경우, 입력되는 문자열이 영원히 도착하지 않을 경우, 영원히 Block 상태에 머물게 된다.

* sig_chld() Function (User-Defined)

#include <sys/wait.h>
// wait() Function

#include <sys/types.h>
// pid_t Type

void sig_chld(int signo)
{
    pid_t pid;
    int   stat;
    
    while ( pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG) ) > 0 )
        printf("child %d terminated\n", pid);
        
    return;
}

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wait() System Call

* wait() Linux Manual Page (URL)

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *statloc);

- wait()는 호출한 프로세스의 한 Child가 Terminate될 때 까지 Block된다.
- Child가 Z state (Zombie State)로 되는 것을 방지한다.
- Shell Program에서 명령어(Child)가 실행되는 동안, Parent를 Block시키기 위해 개발되었다.

Return:
종료된 Child의 PID를 직접적으로 리턴하고,
Child의 Termination Status(상수)를 statloc에 간접적으로 리턴한다.

* Termination Status를 통해 Child가 정상적으로 끝났는지, Signal에 의해 끝났는지, Job Control로 인해 끝났는지를 검사할 수 있다.
- 이를 구분짓는데 C의 Macro가 사용되었다.

Arguments:
1) int *statloc
- Child의 Termination Status(상수)가 statloc에 저장된다.

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waitpid() System Call

* waitpid() Linux Manual Page (URL)

#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);

- wait()에서 확장된 형태로, 어느 프로세스를 기다릴 것인지, Block 여부를 조절할 수 있다.
- 한 호스트에서 여러 클라이언트를 생성하여 서버와 통신하다가, 서버의 여러 Child를 거의 동시에 Terminate시켰을 때,
  하나의 Child를 제외하곤 나머지 모두 Zombie가 된다.
  (Blocked 상태에서 발생한 Signal들은 Unblocked되고 딱 한 번만 재전송되기 때문이다.)
  waitpid()를 통해 PID를 지정하여 wait시킴으로써 이를 방지할 수 있다.

Return:
종료된 Child의 PID를 직접적으로 리턴하고,
Child의 Termination Status(상수)를 statloc에 간접적으로 리턴한다.
에러가 발생했을 경우, -1을 리턴한다.

Arguments:
1) pid_t pid
- 기다릴 프로세스의 PID이다.
- pid를 -1로 지정할 경우, 가장 먼저 Terminate되는 Child를 지정하게 된다.

2) int *statloc
- Child의 Termination Status(상수)가 statloc에 저장된다.

3) int options
WNOHANG
- With No Hang의 약자이다.
- Kernel에 Terminate된 Child가 없으면 Block시키지 않는다.

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SIGPIPE Signal

- write Operation을 수행하다 RST를 수신한 프로세스가 해당 소켓에 다시금 데이터를 입력했을 때 발생하는 Signal이다.
- SIGPIPE에 대한 대처방식의 Default는 프로세스를 Terminate하는 것이다.
  (즉, 원치 않는 종료를 막기 위해서는 SIGPIPE를 Catching해야 한다.)
- SIGPIPE를 Catching하여 Signal Handler가 리턴하거나,
  SIGPIPE를 무시할 경우, write Operation은 EPIPE를 리턴한다.

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SIGTERM Signal and SIGKILL Signal

- UNIX 시스템 종료 시, init 프로세스가 모든 User 프로세스에게 전달하는 Signal이다.
- SIGTERM Signal 전송 후, 일정시간(5~20초) 동안 대기한 다음에 실행 중인 모든 프로세스에 SIGKILL Signal을 보낸다.
- SIGKILL Signal은 모든 실행 중인 프로세스들에게 종료를 위한 짧은 시간을 준다.
- 즉, 서버가 SIGTERM을 Catching하지 못하면, SIGKILL에 의해 종료된다.
- 클라이언트 측에서 능동적으로 서버 측의 종료 여부를 알기 위해서는 select() 함수 또는 poll() 함수를 이용해야 한다

※ SIGTERM Signal은 Catching이 가능하고, SIGKILL Signal은 Catching이 불가능하다.

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Reference: UNIX Network Programming Volume 1, 3E: The Sockets Networking API (W. Richard Stevens, Bill Fenner, Andrew M. Rudoff 저, Addison-Wesley, 2004)