【Linux操作系统】：信号

Linux操作系统下的信号

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一、引言

首先我们可以简单理解一下信号的概念，信号，顾名思义，就是我们操作系统发送给进程的消息。举个简单的例子，我们在写C/C++程序的时候，当执行a / 0类似的操作的时候，程序直接就挂了，这是什么原因呢？其实本质就是CPU在计算的时候出现异常，触发硬件中断，然后我们操作系统发送了对应的信号给进程，然后我们进程默认就退出了。这一系列东西，我都将在后续的文章中具体的提到。

二、Linux下信号的形式

管他知不知道了不了解，我们都可以先看看Linux下的信号具体长什么样
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这里我简单的介绍几种常见的信号

SIGINT : 这个信号就是我们常用ctrl + c，他默认的作用就是直接将我们的进程退出。
SIGSEGV：这个就是段错误的信号，比如我们常见的越界，野指针都是这个错误。
SIGCHLD：子进程退出的时候，我们父进程可以hang住，也就是阻塞等待，也可以轮询非阻塞等待，或者也可以通过这个信号，所以这个信号就是子进程退出的的时候发送给我们父进程的信号。
SIGKILL：这个信号可以杀死大部分的进程（D状态进程除外），后续我们也会讲解。

三、信号的产生

由内核产生
内核在检测到系统事件或异常时会向进程发送信号，例如：

硬件异常：如进程访问非法内存（SIGSEGV）、除零错误（SIGFPE）等。
资源限制：进程占用资源超限（如 SIGXCPU 表示CPU时间超限）。
子进程状态变化：子进程终止时会向父进程发送 SIGCHLD。
终端事件：如终端关闭时发送 SIGHUP，用户按下 Ctrl+C 触发 SIGINT。

由其他进程发送
进程可以通过系统调用 kill() 向其他进程发送信号：

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#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);  // 向指定PID的进程发送信号
// 实例
kill(1234, SIGTERM) // 向PID为1234的进程发送终止信号。
kill(-1, SIGKILL) // 向所有进程发送 SIGKILL（需权限）。

kill(1234, SIGTERM) 向PID为1234的进程发送终止信号。

kill(-1, SIGKILL) 向所有进程发送 SIGKILL（需权限）。

由用户或终端触发
键盘快捷键：

Ctrl+C → 发送 SIGINT（中断进程）。
Ctrl+Z → 发送 SIGTSTP（暂停进程）。
Ctrl+\ → 发送 SIGQUIT（终止并生成核心转储）。
命令行工具：
kill -9 PID：发送 SIGKILL（强制终止进程）。
pkill -HUP process_name：发送 SIGHUP（重新加载配置）。

进程自身触发
进程可以通过 raise() 或 kill() 向自己发送信号：

raise(SIGALRM);  // 等同于 kill(getpid(), SIGALRM);

常见用途：

定时器到期（SIGALRM）。

自定义信号处理（如 SIGUSR1/SIGUSR2）。

通过条件触发
某些系统调用或条件会隐式产生信号：

alarm()：设置定时器，到期后发送 SIGALRM。

sigqueue()：发送信号并附加数据（实时信号）。

管道或套接字断开：如写入已关闭的管道会触发 SIGPIPE。

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

void handler(int sig) {
    printf("Received SIGINT!\n");
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);  // 注册处理函数
    while(1) {}               // 无限循环
}

四、信号的保存（重要）

1. 操作系统如何管理信号

这里我们首先首先要列出内核的信号相关的数据结构
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内核中，我们的进程数据结构（struct task_struct）中维护了三张表：

block : 阻塞表，表示哪些信号是需要阻塞的
pending: 未决的信号，比如我们一个信号被进程接受到，但是block表中阻塞了他，这个时候，我们的pending表中对应的信号的位置就会置一，表示这个信号处于未决的状态。
handler表：存储我们对应的函数指针数组，记录没有对应的信号的处理方式，我们的signal函数就是将对应的函数指针填充进入这张表中。

2. 我们如何在用户层修改表结构

这里的各种表结构都是位图（操作系统减少内存的消耗），那么既然使用了位图，操作这些表就会比较困难，所以操作系统为我们提供了相关的接口。
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这里的sigset就是我们的位图结构，我们可以通过这些接口，操作一个创建出一个定制化的位图结构。

sigpending就是回去当前（调用这个接口的是偶）的pending表。

sigprocmask可以根据我们的需求定制化设置block表的内容，并且可以取出原来的block表。

3. 当信号来到我们的进程的时候，我们的操作如何对其进行组织和管理

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当信号来到我们的进程的时候，我们的进程首先进行上下文保护，将我们当前执行的情况保存，然后陷入内核。
处理本次信号的问题：但是在处理之前，我们需要检查一下block表，1. 如何什么block表表示我们当前的信号是阻塞的，将pending表中对应的位置置一，表示这个信号处于未决的状态，恢复上下文，回到用户态，继续刚才的代码。 2.如何信号没有阻塞，那么回到用户态，执行我们定制化的handler(也可能是退出)。
再次回到内核态（为什么这次还要回到内核态呢？当然是因为我们还要找到刚才代码执行的位置）。
这个时候从内核态找到刚才执行的位置，再次回到用户态继续执行刚才的代码。

细节剖析：

细节一：操作系统规定，每次从内核态到用户态的时候都要检查pending表。

这里可以用以个场景来解释pending表检查：
我们的代码最开始的时候block将SIGINT信号进行的阻塞，表示不处理这个信号
这个时候如果我们接收到了SIGINT信号，这个时候pending表中SIGINT被置一，表示
未决，后续我们如果通过sigprocmask修改block表，SIGINT不阻塞了，这个操作并不会
触发信号检查(也就是说就算我们这个信号不阻塞了，也不会检查pending表是否有未决的对应信号)，也就是说，如果我的后续代码没有任何系统调用，那么即使pending[SIGINT] == 1
仍然不会触发任何检查，只有我们在其他地方触发系统调用(getpid() , 或者类似再次SIGINT)，才会调用

也就是说任何的系统调用都会触发pending表检查

细节二：我们总是在内核态转成用户态的时候检查了pending表（是否有未决的信号）

五、信号的处理机制

信号既然能够产生，那么我们肯定可以针对自身的需求，定制对应的回调处理函数，操作系统也为我们提供了对应的函数的接口，这个接口的名字就叫做signal
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signum : 就是表示我们想要针对哪个函数定义对应的回调机制。
handler: 对应的回调函数，这里的参数是一个函数指针
有了这种机制，我们就可以定制化我们信号处理机制。

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我这里提供了一个实例代码，我通过signal函数屏蔽了CTRL + C的默认功能，可以看见，当我进行ctrl + c的时候，程序并没有退出，而是执行我定义的handler函数。

一些注意事项

虽然操作系统给我们提供了定制化handler的接口，但是也不能让我们为所欲为，比如前面说的SIGKILL接口就不能重新设置，这保证我们总是可以kill -9杀掉这个进程。
默认和忽略

#define SIG_DFL ((__sighandler_t)  0))
#define SIG_IGN ((__sighandler_t)  1))

操作系统给我们定义了一些宏帮助我们进程默认和忽略设置，比如如果我将signal的第二个参数设置成SIG_IGN就表示我忽略这个信号

基于信号再谈谈操作系统

看到了信号，信号是如何触发的，无非就是内核产生（软件中断），硬件中断，也就是说信号是基于中断产生的，一旦有中断就产生对应的信号，那操作系统呢，也是一样的，操作系统就是基于软件中断（系统调用），硬件中断进行执行，我们可以这样理解，操作系统就是一个死循环。
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当各种硬件中断来了（按了键盘）就执行对应的硬件中断函数，当触发了软中断（各种系统调用getpid(), open()），就调用软件中断表中的对应函数。
总结：操作系统，就是基于中断的可执行程序。