进程信号（1）

news2024/11/18 15:22:40

目录

一、信号

1.1、生活中的信号

1.2、Linux中的信号

二、信号处理常见方式

三、信号的产生

3.1、简单理解信号的保存和发送

3.2、键盘产生信号

3.3、核心转储

3.4、系统调用接口产生信号

3.4.1、kill

3.4.2、raise

3.4.3、abort 

3.5、软件条件产生信号

3.6、硬件异常产生信号

四、信号的保存

4.1、相关概念

4.2、信号保存——三个数据结构

4.3、信号集——sigset_t

4.3、信号操作函数

一、信号

1.1、生活中的信号

        在生活中，我们很容易能够想到常见的一些信号。比如，红绿灯，手机闹钟，上下课铃声，转向灯等等。我们人不仅能够识别它们，还能够知道不同的信号对应的下一步动作应该怎么做。比如，红灯停绿灯行；上课铃响就上课，下课铃响就下课；转向灯告诉别人我要转的方向。

        那么，我们是怎么识别并知道这些信号，并且知道信号发出后，接下来的动作应该是怎么样的呢？首先，这当然是规定过的，交通部门规定了红灯停绿灯行，而如果交通部门规定红灯行，绿灯停，那么我们也就只能照做。其次，我们从出生开始，大人们就不断告诉我们，要红灯停，绿灯行，久而久之，我们就记住了特定场景下的信号，以及后续我们需要做到动作，并且终身不忘。

        而且，即使我们没有在过马路，而是在吃饭，我们也能够知道应该如何处理红绿灯信号。

        再比如，如果，我的9点的闹钟响了，但是我没有立即起床，而是30分钟后再起床。这就说明，当信号产生的时候，我们不一定会立即执行后续动作，但是我记住了闹钟响过了，我该起床了，后面我再执行起床的动作。

        上面就是一些生活中的信号，以及我们对待信号的方式。下面我们就来看看Linux中的信号。

1.2、Linux中的信号

什么是Linux信号？

        Linux信号本质是一种通知机制，是用户或者操作系统，通过发送一定的信号，来通知进程某件事已经发生，你可以后续对其进行处理。

Linux信号的特点

       结合上面生活中的信号的特点，Linux信号有如下特点：

        a. 进程能够识别信号，即能够看到信号发送给了自己，并且知道后续的处理动作。

        b. 进程能够识别信号，已经由Linux设计者提前设计好了，并且规定了各种信号的后续处理动作。

        c. 信号的产生是随机的，信号产生时，进程可能正在做自己的事，所以，进程不一定会立即对信号进行处理。

        d. 因为进程不一定立即处理信号，所以进程一定能够将信号记住，后续再进行处理。

        e. 进程会在合适的时候处理信号（什么时候合适？后面会讲）。

        g. 一般而言，信号的产生相对于进程是异步的。

信号查看：我们可以通过 kill -l 命令查看Linux中有哪些信号

        其中，1~31号信号，是普通信号，34~64是实时信号。我们在平时使用中使用的最多的是普通信号。

二、信号处理常见方式

为了方便后面的讲解，我们首先了解一下信号处理的常见方式：

1、执行该信号的默认处理动作（进程自带的，Linux设计者写好的逻辑）。

2、用户自己提供一个信号处理函数，要求在进行信号处理时，使用用户自己定义的方式处理信号，这种方式称为捕捉（Catch）一个信号。

3、忽略该信号。

我们可以通过 man 7 signal 查看信号的默认处理动作：

value：信号编号  action：默认处理动作。 

三、信号的产生

3.1、简单理解信号的保存和发送

        为了下面我们讲解信号的产生，这里我们先简单地理解一下信号的保存。

        前面讲到过，信号产生后，进程不一定会立即处理信号，而是在之后的某个合适的时间对信号进行处理。所以在这中间的一段时间里，我们必须对信号进行保存。

        对于保存，进程只需要知道是否有这个信号，就可以对信号进行处理，所以我们可以使用位图来对信号进行保存。0就代表该比特位对应的信号没有产生，1就代表产生了该信号。这样，在之后进程只需要遍历一遍位图，就可以知道产生了哪些信号，然后进行处理。

        该位图在进程的PCB中，属于内核数据，只有操作系统能够修改，所以信号的发送就是os把信号对应的比特位的数字由0改成1。

        当然，关于信号的保存和发送我们会在下面的内容中，进行详细的讲解，这里只是有一个概念。

3.2、键盘产生信号

        在之前讲进程等待时，我们知道使用 Ctrl + c 的组合键能够终止一个进程，而且我们也讲了，其本质就是通过向进程发送2号信号，来终止进程的。下面我们就来证明一下：

        我们使用自定义函数，将信号进行捕捉：signal

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
 
RETURN VALUE
signal() returns the previous value of the signal handler, or SIG_ERR on error.  In the event of an error, errno is set to indicate the cause.
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
 
using namespace std;
 
void catchsig(int signum)
{
    cout << "进程捕捉到了一个信号：" << signum << " "
         << "pid"
         << " " << getpid() << endl;
}
 
int main()
{
    signal(SIGINT, catchsig);
 
    while (true)
    {
        cout << "我是一个进程，我正在运行"
             << " "
             << "pid"
             << " " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
 
    return 0;
}

        通过对比上面两张图，我们发现Ctrl + c 和发送2号命令，都调用了我们自定义的处理动作。所以 Ctrl + c的本质就是发送2号命令。

3.3、核心转储

        上面的一张图，在信号的默认动作action中，term表示只终止进程，而还有的信号的动作是core，这个动作不仅会终止进程，还可以发生核心转储。这个与我们前面的进程等待的内容又有些关联了。

        上图是进程等待中，父进程获取子进程信息的status位图结构。低7位保存信号，之前有一个core dump标志，该比特位表示是否发生了核心转储。

        核心转储：当进程出现某种异常时，是否由os将当前进程在内存中的相关核心数据，转存到磁盘中。

        一般来说，云服务器上的核心转储功能是被关闭了的。而我们可以使用ulimit -a 命令查看core文件，ulimit -c 大小 命令打开云服务器的核心转储功能。

那么核心转储有什么作用呢？我们使用下面的代码来看看：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
 
using namespace std;
 
void catchsig(int signum)
{
    cout << "进程捕捉到了一个信号：" << signum << " "
         << "pid"
         << " " << getpid() << endl;
}
 
int main()
{
    signal(SIGQUIT, catchsig);
 
    while (true)
    {
        cout << "我是一个进程，我正在运行"
             << " "
             << "pid"
             << " " << getpid() << endl;
        sleep(1);
 
        int a = 100;
        a /= 0;
    }
 
    return 0;
}

运行代码后生成了core文件，且以进程pid为后缀。

        我们知道程序出错了，而有了core文件后，我们不用去一行一行找出错位置，使用core文件在gdb下可以直接定位出错位置，如下：

3.4、系统调用接口产生信号

3.4.1、kill

NAME
       kill - send signal to a process
 
SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>
       #include <signal.h>
 
       int kill(pid_t pid, int sig);
 
   Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):
       kill(): _POSIX_C_SOURCE >= 1 || _XOPEN_SOURCE || _POSIX_SOURCE

        其实，我们常常使用的kill命令的底层所调用的就是该函数，下面我们可以模拟实现一下 kill命令的实现。

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
 
using namespace std;
 
static void Usage(const string &proc)
{
    cout << "\nUsage:" << proc << " pid signo\n"
         << endl;
}
 
//  ./mykill 2 pid
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
    int signo = atoi(argv[1]);
    int sigpid = atoi(argv[2]);
    int n = kill(sigpid, signo);
    assert(n == 0);
 
    return 0;
}

3.4.2、raise

作用：进程让os给自己发送某一个信号。

NAME
       raise - send a signal to the caller
 
SYNOPSIS
       #include <signal.h>
 
       int raise(int sig);
 
DESCRIPTION
       The raise() function sends a signal to the calling process or thread.  In a single-threaded program it is equivalent to
       kill(getpid(), sig);
#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
 
int main()
{
    cout << "我开始运行了" << endl;
    sleep(2);
    raise(2);
 
    return 0;
}

3.4.3、abort 

作用：让os给自己发一个6号信号。其实abort的底层也是去调用 raise（6）去实现的。

NAME
       abort - cause abnormal process termination
 
SYNOPSIS
       #include <stdlib.h>
 
       void abort(void);
#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    cout << "我开始运行了" << endl;
    sleep(2);
    abort();
 
    return 0;
}

        所以，总的来说，系统调用接口产生信号的具体过程就是： 用户调用系统接口——os执行对应的代码——os向目标进程写入信号——修改信号对应的比特位——进程后续对信号进行处理。

3.5、软件条件产生信号

~ 管道

        在前面的进程间通信的管道中，我们讨论了一个问题：对于正在通信的两个进程，当管道的读端不读了，而且读端关闭了，但是写端一直在写。这时，写就没有任何意义了。我们验证了，在这个时候，os会通过发送13号信号的方式终止进程。因为管道是一个通过文件在内存级的实现，所以管道是一个软件，所以这种情况就是软件条件不满足而产生信号的一种情况。

~ 设置闹钟 alarm

#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。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。闹钟一旦触发了，将会自动移除。

我们可以使用该函数写一个能够测试自己的电脑CPU的计算能力的代码：

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
 
using namespace std;
 
int count = 0;
 
void sigcath(int sig)
{
    cout << "final count: "
         << " " << count << endl;
}
 
int main()
{
    alarm(1);
    signal(SIGALRM, sigcath);
 
    while (true)
        count++;
 
    return 0;
}

我们也可以写一个代码来让os帮助我们每隔1秒就可以显示cout最新的计算结果

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
 
using namespace std;
 
uint64_t count = 0;
 
void sigcath(int sig)
{
    cout << "final count: "
         << " " << count << endl;
 
        alarm(1);
}
 
int main()
{
    alarm(1);
    signal(SIGALRM, sigcath);
 
    while (true)
        count++;
 
    return 0;
}

3.6、硬件异常产生信号

~ 除0错误

我们来看一看下面的代码：

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
 
using namespace std;
 
void hander(int sig)
{
    cout << "我捕捉了一个信号："
         << " " << sig << endl;
    sleep(1);
}
 
int main()
{
    signal(SIGFPE, hander);
    int a = 100;
    a /= 0;
 
    return 0;
}

运行结果如下：

        我们知道了如果代码中出现了除0错误，os会给进程发送8号信号，那么是怎么产生并发送的呢？

        首先，计算以及各种信息的处理是由CPU这个硬件进行的。CPU中有一个寄存器，叫做状态寄存器，它含有一个位图，该位图上有溢出标记位。 CPU在进行计算时，发现代码中出现了除0错误，因此将溢出标记位由0改为1，进程异常，CPU将该进程切出。os会自动进行计算完成后，检测状态寄存器，当检查到溢出标记位为1时，os就会提取当前正在运行的进程的PID，给其发送8号信号。

        那么为什么会是死循环打印呢？

        上面讲到，溢出标记位由0改为1后，CPU就会将该进程切出，因为寄存器里面的数据是该进程的上下文，所以位图也会跟随进程一起切出。但是，我们虽然将信号进行了捕捉，但是并没有让进程退出，所以这个进程只是被切出去了，当CPU正常进行调度时，再次调度该进程，上下文恢复上去，os立马识别到了溢出标记位还是1，再次打印，如此反复。

所以，为了解决这个问题，我们要在捕捉函数最后加上 exit，让进程退出。

      ~ 野指针和越界访问

        我们知道，指针变量必须通过地址才能找到目标位置。而我们语言上的地址是虚拟地址，所以我们前面讲了通过页表将物理地址和虚拟地址建立联系。但是事实上，我们是通过页表+MMU（memory manger unit，一个硬件）的方式将物理地址和虚拟地址建立联系的，所以当代码中出现了野指针或者越界访问时，因为这是一个非法地址，那么MMU一定会报错，它会将自己内部的寄存器进行标识，os就能够检测到，且知道是哪个进程的地址转化出错了。

四、信号的保存

4.1、相关概念

a. 信号递达：进程对信号的处理动作称为信号递达。

b. 信号未决：信号从产生到递达之间的这个状态称为信号未决。

c. 信号阻塞：被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。

阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

4.2、信号保存——三个数据结构

        前面我们讲到，在进程的PCB中，存在一种位图是用来保存信号的，但是事实上有3种数据结构与信号是相关的。他们分别是pending位图，block位图，typedef void(*handler_t)(int signo)，handler_t handler[32]={0}结构。

        pending位图：该位图就是我们常说的用来保存信号的位图。

        block位图：该位图比特位的位置与信号标号一一对应，比特位的内容代表该信号是否阻塞。

        typedef void(*handler_t)(int signo)，handler_t handler[32]={0}：这个是一个函数指针数组，这个数组在内核中有指针指向它，这个数组称为当前进程所匹配的信号递达的所有方法，数组下标代表信号的编号，数组的每一个元素都是一个函数指针（存函数地址），指向信号对应的处理方法。

4.3、信号集——sigset_t

        上面讲到的三个结构都是属于进程PCB，是内核数据结构。所以os必定不会让用户直接访问这三个结构，更不能够让用户直接进行位移操作。那么如果用户想要得到pending和block位图该怎么办呢？于是，Linux就提供了一种数据类型信号集——sigset_t，用户可以直接使用。

4.3、信号操作函数

        既然Linux提供了信号集，那么必定也通过了与之相关的各种方法，让用户能够去操作，这样用户根本就不需要关系在内核中这些结构到底是怎么样的。下面的5个函数就是对信号集进行操作的函数。

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

sigpending：获取当前进程的 pending 信号集。信号发送的本质就是对pending位图进行修改。

NAME
       sigpending - examine pending signals
 
SYNOPSIS
       #include <signal.h>
       int sigpending(sigset_t *set);
 
读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。调用成功则返回0，出错则返回-1。

sigprocmask ：读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集) （block）

NAME
       sigprocmask - examine and change blocked signals
 
SYNOPSIS
       #include <signal.h>
 
       int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

下表说明了how参数的可选值及其作用：

选项作用
SIG_BLOCKset包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号
SIG_UNBLOCKset包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号
SIG_SETMASK设置当前信号屏蔽字为set所指向的信号

注：9号信号是不能被捕捉或阻塞的。 

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