🍎作者：阿润菜菜
📖专栏：Linux系统编程

文章目录

一、预备知识
二、信号产生
- 1. 通过终端按键产生信号
- - 1.1 signal()
  - 1.2 core dump标志位、核心存储文件
- 2.通过系统调用向进程发送信号
- 3.由软件条件产生信号
- - 3.1 alarm函数和SIGALRM信号
  - 3.2 使用alarm()系统接口验证 IO的效率 --- 很慢
- 4. 硬件异常产生信号

一、预备知识

我们想要杀死某个后台进程的时候，无法通过ctrl+c热键终止进程时，我们就会通过kill -9的命令来杀死信号。
查看信号也比较简单，通过kill -l命令就可以查看所有信号的种类，虽然最大的信号编号是64，但实际上所有信号只有62个信号，1-31是普通信号，34-64是实时信号，本文不对实时信号做讨论，只讨论普通信号，感兴趣的老铁可以自己下去研究一下。
在这里插入图片描述
以过红绿灯为例，其实在红绿灯出现之前，我们大脑里已经有了红灯停绿灯行的意识了，对于进程来说也是如此，进程在收到信号之前就已经知道怎么处理对应信号了，已经保存了对应处理的方法；那绿灯亮起，此时有朋友打来视频电话，我们也可以选择忽略该绿灯信号，暂时不通行，去忙别的事情，对应进程来说如果不能里面处理这个信号，那进程就要有信号保存的能力！

我们Linux操作时用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程。.用户按下Ctrl-C ,这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程，前台进程因为收到信号，进而引起进程退出。这就是技术角度的信号处理过程。

注意：

Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&可以放到后台运行,这样Shell不必等待进程
结束就可以接受新的命令,启动新的进程。
Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程,只有前台进程才能接到像 Ctrl-C 这种控制键产生
的信号。
前台进程在运行过程中用户随时可能按下 Ctrl-C 而产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执行
到任何地方都有可能收到 SIGINT 信号而终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步
(Asynchronous)的。

所以有了下面的预备知识：
两个先导结论：

进程在没有收到信号之前，就已经知道怎么处理信号了
进程不能立马处理这个信号，就需要进程具有信号保存的能力

二、信号产生

1. 通过终端按键产生信号

1.1 signal()

我们最常用的发送信号方式就是一个热键ctrl+c，这个组合键其实会被操作系统解释成2号信号SIGINT，通过man 7 signal命令就可以查看到对应的信号和其默认处理行为等等信息。
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这里SIGINT的默认处理动作是终止进程 — Term，上图介绍了各种处理动作。但进程不是立即处理该信号的，而是先将信号保存下来，信号保存部分后面讲解；同时其实我们可以定义收到信号后的处理动作的 ---- 我们利用signal（）系统调用

signal（）是一个系统调用，用于设置或处理信号。
我们知道信号是一种通知进程发生了某种事件的机制。当进程收到一个信号时，它可以执行以下三种操作之一：

忽略信号，不做任何处理。（后面讲解）
执行默认动作，通常是终止进程或忽略信号。
调用一个自定义的信号处理函数，执行特定的操作。

signal（）函数的原型是：

#include <signal.h>
void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

它接受两个参数：signum是要处理的信号的编号，handler是要执行的信号处理函数的指针。它返回一个函数指针，指向之前设置的信号处理函数，或者SIG_ERR表示出错。所以这里我们可以自定义一个函数方法，当进程接收到某个信号后，利用signal函数调用我们的自定义信号处理函数。
注意：我们显示写signal函数其实相当于注册了一个信号处理时的自定义行为，然后这个自定义行为handler不会平白无故被调用的，只有当对应信号发送给进程时，这个handler才会被调用，否则这个函数是永远不会被调用的。
那么handler方法什么时候调用？当2号信号产生的时候，就被调用，相当于提前设定好了方法。
同时注意调用singal并没有调用handler方法，只是更改了2号信号函数指针的映射关系。

例如，如果要捕获SIGINT信号（由键盘中断产生），并调用一个名为my_handler的函数来处理它，可以这样写：

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

void my_handler(int signum) {
    printf("Received signal %d\n", signum);
}

int main() {
    signal(SIGINT, my_handler); // 设置SIGINT的处理函数为my_handler
    while (1) {
        // do something
    }
    return 0;
}

signo：自动填充对应的信号在这里插入图片描述

如果要恢复SIGINT的默认动作，可以这样写：

signal(SIGINT, SIG_DFL); // 设置SIGINT的处理函数为默认动作

如果要忽略SIGINT信号，可以这样写：

signal(SIGINT, SIG_IGN); // 设置SIGINT的处理函数为忽略

注意：9号信号不可被自定义！！

Linux支持多种信号，每种信号都有一个名称和一个编号。我们可以在signal.h头文件中查看它们的定义。一些常见的信号有：

SIGTERM：终止信号，通常用来请求进程正常退出。
SIGKILL：杀死信号，强制进程立即退出，不能被忽略或捕获。
SIGSEGV：段错误信号，由于无效的内存访问产生。
SIGALRM：闹钟信号，由alarm（）函数设置的定时器到期时产生。（后面讲解）
SIGCHLD：子进程终止信号，当一个子进程退出或停止时产生。

我们可以使用kill（）函数或kill命令来向一个进程发送一个信号。例如，如果要向进程1234发送SIGTERM信号，可以这样写：

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

int main() {
    kill(1234, SIGTERM); // 向进程1234发送SIGTERM信号
    return 0;
}

在命令行中输入：

kill -TERM 1234 # 向进程1234发送SIGTERM信号

一个热键是ctrl+\，这个组合键会被操作系统解析为3号信号SIGQUIT，这个信号的默认处理行为是Core，除终止进程外还会进行核心转储。Core于Term有什么不同？在这里插入图片描述

1.2 core dump标志位、核心存储文件

core dump 标志位是一个退出信息中的一个位，用来表示进程是否产生了core dump文件。core dump文件是一个包含进程内存内容的文件，当进程意外终止时，由操作系统生成，用于后期调试。core dump标志位为1，表示进程产生了core dump文件；为0，表示没有产生。core dump标志位可以通过kernel.core_pattern这个系统参数来设定，这个参数指定了core dump文件的保存位置和格式。例如，执行命令sysctl -w kernel.core_pattern=/var/crash/core.%u.%e.%p，就可以将core dump文件保存在/var/crash目录下，文件名为core.用户ID.可执行文件名.进程ID。

在这里插入图片描述
什么是核心存储文件？

核心存储文件，也叫core dump文件，是一个当程序运行过程中发生异常，程序异常退出时，由操作系统把程序当前的内存状况存储在一个文件中的文件。核心存储文件包含了程序运行时的内存状态、寄存器状态、堆栈指针、内存管理信息以及各个函数使用堆栈信息等等。核心存储文件的作用是用于后期调试，可以通过gdb等工具分析核心存储文件，定位程序出错的原因和位置。

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所以core dump文件有什么用？事后调试！

生产环境中服务器为什么要关闭核心存储文件，有以下几个原因：

核心存储文件通常很大，占用大量的磁盘空间，如果不及时清理，可能会影响服务器的性能和稳定性³。
核心存储文件可能包含敏感的数据，比如用户信息、密码、密钥等，如果被恶意获取或泄露，可能会造成安全风险³。
生产环境中的程序应该经过充分的测试和优化，不应该频繁出现异常退出的情况，如果出现了，应该及时修复，并通过日志或监控等手段进行分析和定位³。

简单说服务器重启可是会疯狂写core文件的，所以要关！
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控制core dump文件开关的方法我们一般使用ulimit命令的-c选项，可以设置core文件的生成开关和大小限制。例如，ulimit -c 0表示关闭core dump功能，ulimit -c unlimited表示不限制core文件的大小，ulimit -c 1024表示限制core文件的大小为1024KB。这种方法是临时的，系统重启后会失效。

在这里插入图片描述

另外补充一个知识点，linux规定，当用户在和shell交互时，默认只能有一个前台进程，所以当我们自己编写的程序运行时，bash进程就会自动由前台进程转换为后台进程。

2.通过系统调用向进程发送信号

其实除上面那种用组合键或者是手动的通过kill指令加信号编号的方式给进程发送信号外，我们还可以通过系统调用的方式给进程发送信号。操作系统有向进程发送信号的能力，但是他并没有这个权力，操作系统的能力是为用户提供的，用户才有发送信号的权力，操作系统通过给用户提供系统调用赋予用户让OS向进程发送信号的权力。就像我们将来可能都会变成程序员，我们有写代码的能力，我们的能力是服务于公司或老板的，让我们写代码的权力来自于老板。

kill系统调用和raise、abort库函数都是用来发送信号的函数，但是有一些区别：

kill系统调用可以向任意进程或进程组发送任意信号，只要发送者有足够的权限。它的原型是：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

它接受两个参数：pid是要发送信号的进程或进程组的标识，sig是要发送的信号的编号。它返回0表示成功，-1表示失败，并设置errno。

raise库函数可以向自己发送一个信号，相当于kill(getpid(), sig)。它的原型是：
参数sig是要发送的信号的编号，可以参考kill -l命令查看信号列表

#include <signal.h>
int raise(int sig);

它接受一个参数：sig是要发送的信号的编号。它返回0表示成功，非0表示失败。

abort库函数可以向自己发送一个SIGABRT信号，通常用来表示程序异常终止。它的原型是：

#include <stdlib.h>
void abort(void);

它没有参数和返回值，也不能被阻塞或忽略。如果SIGABRT信号没有被捕获或处理，程序会终止并生成一个core文件。

我们上面所说的raise()和abort()都在man 3号手册，这代表他们都是库函数，而kill在2号手册，是纯正的系统调用。但3号手册的库函数可以分为两类，底层封装了系统调用的库函数和没有封装系统调用的库函数，很明显，raise和abort库函数就是底层封装了kill系统调用的库函数。就连kill指令底层其实也是封装的kill系统调用来实现的。

6号信号和2号信号的区别是什么？

6号信号是SIGABRT，表示进程异常终止，通常由abort（）函数产生。它的默认动作是终止进程并生成一个core文件，用于保存进程的状态信息，方便调试。它不能被忽略或捕获。
2号信号是SIGINT，表示键盘中断，通常由Ctrl+C产生。它的默认动作是终止进程，但是它可以被忽略或捕获，并执行自定义的处理函数。

如果你在循环中使用abort（）函数，那么程序会立即终止，并且不会再执行循环。如果你在循环中使用raise（SIGINT）函数，那么程序会收到2号信号，如果你没有设置信号处理函数，那么程序也会终止；如果你设置了信号处理函数，那么程序会执行你的处理函数，并且可能会继续执行循环。abort用于终止进程，类似于exit（），因为有了exit（），所以实际中我们很少用abort（）

3.由软件条件产生信号

3.1 alarm函数和SIGALRM信号

alarm函数是用来设置一个定时器，告诉内核在指定的秒数之后给当前进程发送一个SIGALRM信号。它的原型是：

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

它接受一个参数：seconds表示定时器的时间间隔，单位为秒。如果seconds为0，则取消之前设置的定时器。它返回0或者是以前设定的闹钟时间还剩余的秒数。

SIGALRM信号是由alarm函数产生的定时信号，表示定时器时间到达。它的默认动作是终止当前进程，但是它可以被忽略或捕获，并执行自定义的处理函数。

我们可以使用alarm函数和SIGALRM信号来实现定时任务，例如定时执行某个操作或定时检查某个状态。需要注意的是，由于alarm函数只能设置一个定时器，因此如果需要同时设置多个定时器，需要使用其他方法，例如使用select()或poll()函数来等待多个信号。

3.2 使用alarm()系统接口验证 IO的效率 — 很慢

通过alarm闹钟，我们可以计算出1s内CPU能够累加数据多少次，下面测试的代码中其实分了两种情况进行测试，一种是每次将累加数据之后的结果打印到显示器上，一种是在1s内只进行数据的累加，等到1s到了的时候，我们捕捉信号在handler里面进行累加后数据的值的打印
在这里插入图片描述
实验结果二者差了大概1w多倍数，可以看到一旦访问外设CPU的执行速度就会慢下来，因为等待硬件就绪很慢，硬件就绪的时间和CPU计算的时间根本不在一个量级。
注意：我们可以设置剩余的alarm时间 — 一个进程只能设置一个闹钟 — 会覆盖，闹钟会通过pid标识是谁设置的

那为什么alarm闹钟是软件条件异常呢？
闹钟实际就是软件，他不就是数据结构和属性的集合吗？所以闹钟本身就是软件，当前进程可以设定闹钟，那么其他进程也可以设定闹钟，所以操作系统内部一定会存在很多的闹钟，那么操作系统要不要对这些闹钟进行管理呢？当然要，管理的方式就是先描述，再组织。所以闹钟在操作系统中实际就是内核数据结构，此内核数据结构用于描述闹钟，组织的最常见方式就是通过链表，但闹钟的组织方式也可以通过堆，也就是优先级队列来实现。

下面是闹钟内核数据结构的伪代码，其内部有一个闹钟响铃的时间，表示在当前进程的时间戳下，经过所传参数second秒后，闹钟就会响铃，这个响铃时间即为当前进程时间戳+second参数大小。
另外闹钟还需要一个PCB结构体指针，用于和设置闹钟的进程进行关联，在闹钟响了之后，便于操作系统向对应进程发送14号信号SIGALRM，此信号默认处理动作也是终止当前进程。

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OS会周期性的检查这些闹钟，也就是通过遍历链表的方式，检查当前时间戳超过了哪个闹钟数据结构中的when时间，一旦超过，说明此闹钟到达设定时间，那么这个时候操作系统就该给闹钟对应的进程发送14号信号，如何找到这个进程呢？通过alarm类型的结构体指针便可以拿到alarm结构体的内容，其结构体中有一个字段便是PCB指针，通过PCB指针就可以找到闹钟对应的进程了。

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除链表这样经典的组织方式之外，另一种组织方式就是优先级队列，priority_queue，实际就是堆结构，按照闹钟结构体中的when的大小建大堆，如果堆顶闹钟的时间小于当前进程时间戳，则说明整个堆中所有的闹钟均为达到响铃的条件。如果堆顶闹钟的时间大于当前进程时间戳，那就要给堆顶闹钟对应进程发送14号信号了，检查过后再pop堆顶元素，重新看下一个堆顶闹钟是否超时，大概就是这么一个逻辑。

4. 硬件异常产生信号

为什么代码除0会收到警告？其实作系统检测到后会立即向进程PCB位图中写入信号（通俗叫发送信号） — 8号信号 SIGFPE

int main()
{
int n =3;
cout << n /0 <<endl;
return 0;
}

代码除0会收到警告，是因为除0是一种硬件异常，也就是由处理器检测到的非法操作。当处理器执行除0指令时，它会产生一个中断信号，通知操作系统发生了错误。操作系统收到中断信号后，会根据中断向量表找到对应的中断处理程序，然后执行它。在这个过程中，操作系统会向进程的PCB位图中写入信号（通俗叫发送信号），这个信号就是8号信号 SIGFPE**，表示浮点异常**。如果进程没有捕捉或忽略这个信号，那么它的默认动作是终止进程，并打印出错误信息。所以，代码除0会收到警告，是因为操作系统根据硬件异常产生了一个信号，并执行了默认的终止动作。
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那这样那我们利用signal（）系统调用捕捉8号信号，为什么循环打印呢？因为MMU硬件报错一直都存在，没有被修复；那为什么没有退出进程？因为我们捕捉信号自定义处理方法了

MMU在哪里呢? 被集成到CPU里了，硬件！MMU就是帮助地址转换，帮助页表映射的硬件！

空指针会引起程序崩溃 – 11号信号
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所以程序崩溃的根本原因不一定是硬件异常，也可能是软件异常，比如内存访问越界，空指针解引用，非法指令等。操作系统向目标进程发送信号，只是一种通知进程发生了异常的方式，并不一定导致程序崩溃。如果进程能够捕捉或忽略信号，或者执行自定义的处理动作，那么程序可能还能继续运行。所以，程序崩溃的根本原因是进程无法处理异常的情况。

那既然这么多信号默认处理都是干掉进程，那要这么多信号干什么？进程的死法不一样，我们人类要知道啊，就像是你定义的退出码一样。

总结思考一下：
1.上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么？OS是进程的管理者
2.信号的处理是否是立即处理的？在合适的时候
3.信号如果不是被立即处理，那么信号是否需要暂时被进程记录下来？记录在哪里最合适呢？
4.一个进程在没有收到信号的时候，能否能知道，自己应该对合法信号作何处理呢？
5.如何理解OS向进程发送信号？能否描述一下完整的发送处理过程？

未完待续