【Linux】—— 信号的产生

本期，我们今天要将的是信号的第二个知识，即信号的产生。

（一）通过终端按键产生信号

（二）调用系统函数向进程发信号

（三）由软件条件产生信号

（四）硬件异常产生信号

（五）小结

（一）通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。

我们之前学习进程等待的时候，给大家介绍了以下这张图片，其中【core dump】没有讲，今天我将给大家解释这个词的含义。

【解释说明】

首先解释什么是Core Dump。Linux提供了一种能力，当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump（在云服务器上默认是关闭这个功能的！！！）；
进程异常终止通常是因为有Bug,比如非法内存访问导致段错误,事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug（事后调试）；
一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存在PCB中)；
默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全；
在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K: ulimit -c1024

命令用于显示有关用户当前资源限制（ulimits）的信息。此命令显示各种系统资源的硬限制和软限制，以下是一个示例输出：

【解释说明】

core文件大小： core转储的最大大小（以块为单位）。
数据段大小： 进程的数据区大小（以千字节为单位）。
文件大小： 文件的最大大小（以块为单位）。
最大锁定内存： 锁定在内存中的地址空间的最大大小（以千字节为单位）。
最大内存大小： 进程可以拥有的最大数据大小（以千字节为单位）。
打开文件数： 进程可以拥有的最大文件描述符数量。
堆栈大小： 进程的堆栈大小（以千字节为单位）。
CPU时间： 进程可以消耗的最大CPU时间（以秒为单位）。
最大用户进程数： 用户可以创建的最大进程数。
虚拟内存大小： 进程可用的虚拟内存大小（以千字节为单位）。

【注意】

值为“无限制”表示该特定资源没有设置特定限制；
可以使用 ulimit 命令或通过修改配置文件来调整这些限制。请注意，特定资源及其限制可能因操作系统和系统配置而异。

接下来，我们手动设置核心转储文件的大小。具体如下：

【解释说明】

上述命令用于设置核心文件的最大大小为10240个块（通常每个块大小为字节，具体大小取决于系统设置）；
-c: 表示设置或显示核心文件的最大大小限制。
10240: 表示核心文件的最大大小限制为10240个块。如果以字节计算，这意味着核心文件的最大大小为10240个块乘以每个块的字节数。

接下来，我们查询 signal信号。发现信号后面的有的是【term】，有的是【core】。具体如下：

【解释说明】

【term】是一个信号名称，它代表着进程正常终止信号，无其他操作；
【core】通常指的是在进程异常终止（如段错误）时生成的核心转储文件。这个文件包含了进程在崩溃时的内存映像，可以用于调试和分析问题。当一个进程崩溃时，操作系统通常会生成一个名为 core 的文件，其中包含了进程在崩溃瞬间的内存状态。

接下来，我们就去验证上述结论：

首先，这里有几行简单的代码：

int main(int argc, char *argv[])
{

    while (true)
    {
        cout << "我是一个正常运行的进程：" << getpid() << endl; 
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

紧接着，我们先让程序正常的跑起来：

程序可以正常运行之后，接下来，我先测试上述信号中后面标志为【term】的，看测试效果：

接下来，我先测试上述信号中后面标志为【core】的，看测试效果：

当我们打开这个文件时，发现全是乱码（因为这是给OS看的，不是给用户看的）：

ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit,test进程的PCB由Shell进程复制而来,所以也具有和Shell进程相同的Resource Limit值,这样就可以产生Core Dump了。使用core文件：

（二）调用系统函数向进程发信号

首先在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号

【解释说明】

3995是test进程的id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault ,是因为在3995进程终止掉之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令,Shell不希望Segmentation fault信息和用户的输入交错在一起,所以等用户输入命令之后才显示。
指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法,上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 3995或 kill -11 3995, 11是信号SIGSEGV的编号。以往遇到的段错误都是由非法内存访问产生的,而这个程序本身没错,给它发SIGSEGV也能产生段错误

kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。

函数的原型如下：

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

pid_t pid: 要发送信号的进程的进程ID。如果 pid 为正数，信号将发送到具有该进程ID的进程。如果 pid 为0，信号将发送到与调用进程属于同一进程组的所有进程。如果 pid 为-1，信号将发送到调用进程有权限发送信号的所有进程。
int sig: 要发送的信号的编号。

而raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)

函数的原型如下：

#include <signal.h>

int raise(int sig);

int signo：要发送的信号的编号。

abort函数使当前进程接收到信号而异常终止

函数的原型如下：

#include <cstdlib>

void abort(void);

使用abort函数非常简单，只需在需要终止进程的地方调用它即可。当调用abort函数时，以下操作将被执行：

向当前进程发送SIGABRT信号。
默认情况下，SIGABRT信号会导致进程终止，并生成一个核心转储文件。
终止处理程序会被启动，这是一个特殊的信号处理程序，可以用来执行一些清理工作或记录错误信息。
如果没有安装终止处理程序，或者终止处理程序调用了_Exit函数或返回，则进程会异常终止，并打印一条错误消息到标准错误流（stderr）。

代码展示：

void cleanup() {
    std::cout << "Performing cleanup before aborting..." << std::endl;
    // 执行一些清理工作
}

void handler(int signo) {
    std::cout << "Received signal " << signo << std::endl;
    // 自定义信号处理逻辑
    exit(signo);
}

int main() 
{
    // 注册终止处理程序
    if (atexit(cleanup) != 0) {
        std::cerr << "Failed to register cleanup function" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 注册信号处理函数
    if (signal(SIGABRT, handler) == SIG_ERR) {
        std::cerr << "Failed to register signal handler" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    std::cout << "Starting program..." << std::endl;
    std::cout << "Triggering abort..." << std::endl;

    // 调用abort函数，触发进程终止
    abort();

    std::cout << "This line will not be reached" << std::endl;

    return 0;
}

输出展示：

【解释说明】

在调用abort函数后，程序收到了SIGABRT信号，并执行了注册的终止处理程序和信号处理函数；
就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值

（三）由软件条件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号,在“管道”中已经介绍过了。本节主要介绍alarm函数和SIGALRM信号。

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

接下来，我简单的演示一下这个函数：

//io的效率低下
int main()
{
    alarm(1);
    int count = 0;
    while (true) 
    {
        // 打印，显示器打印网络
        std::cout << "count : " << count++ << std::endl; //1s之内计算机将一个正数累计到多少
    }
    return 0;
}

多跑几次程序我们可以发现打印出来的结果都是不同的：

当我们此时真正想测试计算机的算力时，我们可以像如下这样:

int count = 0;

void myhandler(int signo)
{
    std::cout << "get a signal: " << signo << " count: " << count << std::endl;
    exit(0);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    signal(SIGALRM,myhandler);
    alarm(1);
    while (true) count++;
   
    return 0;
}

多跑几次程序我们可以发现打印出来的结果跟上完全是天差地别：

上述 alarm 这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数；
打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟；
如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

接下来，我们代码简单的演示一下：

void myhandler(int signo)
{
    std::cout << "get a signal: " << signo << " count: " << count << std::endl;
    int n = alarm(10);
    std::cout << "return: " << n << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl;
    signal(SIGALRM,myhandler);
    alarm(10);

    while(true)
    {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

输出展示：

（四）硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令,CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址,,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

（五）小结

以上便是本文的主要内容，接下来简单小结本文都讲了些什么！！！

在Linux中，信号可以通过多种方式产生，包括：

硬件异常： 这些是由硬件引起的异常事件，例如：
- 除零错误（SIGFPE）： 当程序尝试执行除以零的操作时，会产生 SIGFPE 信号。
- 无效内存访问（SIGSEGV）： 当程序尝试访问未分配给它的内存地址时，会产生 SIGSEGV 信号。
- 内存访问越界（SIGBUS）： 当程序尝试访问无效的内存地址时，会产生 SIGBUS 信号。
软件中断： 这些是由软件引发的事件，通常是为了通知进程已经达到了某个预定条件，例如：
- 定时器超时（SIGALRM）： 当一个定时器达到设定的时间时，会产生 SIGALRM 信号。
其他进程发送信号： 一个进程可以通过系统调用向另一个进程发送信号，例如：
- kill 命令： 通过命令行的 kill 命令或者在程序中使用 kill 函数可以向指定的进程发送信号。
- 终端操作： 用户在终端中执行特定的操作，例如按下 Ctrl+C 组合键，会向当前前台进程发送 SIGINT 信号。
进程自身发送信号： 进程可以通过调用 raise 函数或者 kill 函数向自身发送信号。
- 调用 kill 函数： 进程可以使用 kill 函数向自身发送信号，使用进程ID为 getpid()。
软件条件满足： 在程序中，当特定的条件满足时，可以使用信号来通知其他部分程序执行某些动作，这通常需要由程序本身显示地触发。