文章目录

📕 信号入门
- 生活角度的信号
- 技术角度的信号
📕 信号产生
- 认识 signal 函数
- 键盘产生信号
- 通过系统调用产生信号
- 软件条件产生信号
- 硬件异常产生信号
📕 核心转储
📕 信号保存
- 信号集函数
📕 信号处理
- 用户态与内核态
- 处理信号

📕 信号入门

生活角度的信号

下面一个网购的过程，有利于我们理解信号。

我在网上买了很多件商品，在等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，我也知道快递来临时，我该怎么处理快递。也就是我能“识别快递”。
当快递员到了你楼下，我也收到快递到来的通知，但是我正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，我并没有去取快递，但是我是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取”。
在收到通知，再到我拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，我并没有拿到快递，但是我知道有一个快递已经来了。本质上是我“记住了有一个快递要去取”。
当我时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）2. 执行自定义动作（快递是零食，我要送给我的女朋友）3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔掉床头，继续开一把游戏）。
快递到来的整个过程，对我来讲是异步的，我不能准确断定快递员什么时候给我打电话。

技术角度的信号

当我们按下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。

将生活例子和 Ctrl-C 信号处理过程相结合，实际上就可以理解技术角度的信号。（ 进程就是 “我”，操作系统就是快递员，信号就是快递。）

一个进程正在运行，突然操作系统给进程发送了一个信号（体现异步，进程并不关心信号何时产生），进程在接收这个信号之前，就已经认识这个信号，并且知道该如何处理这个信号了（执行默认动作、执行自定义动作、忽略），所以，收到信号之后，就按照规定好的处理方式来处理这个信号（不一定立即处理，因为可能进程在执行优先级更高的事情）。
不难理解，在信号产生到信号处理之间，有一段时间窗口。可是，进程不一定只收到一个信号，这就需要将信号保存起来，同样地，信号保存也是——先描述、再组织！

如下，使用 kill -l 可以查看各种信号， 31 号后面的是实时信号。实时信号要求产生之后立马处理，所以不需要保存下来！1-31 号信号是普通信号，要保存对应信号是否产生。

请添加图片描述

根据上述特点：1. 只需要考虑 1-31 号信号。2. 只需要保存信号有无。 3. 先描述，再组织。不难想到，可以用位图的数据结构来表示信号！！毫无疑问，这个位图是存在于 pcb 中的！

假设，pcb 中存在一个 uint32_t signals; 这就是描述信号的位图结构。四个字节，32位，00000000 00000000 000000000 000000000 最高一位无意义，只需要用到低 31 位即可。比特位的位置，表示信号的编号（1号位置表示1号信号）；比特位的内容，表示是否收到信号。当进程收到操作系统的信号，就将位图对应位置的 0 改成 1，就表示该信号产生了！

所以，发送信号的本质，实际上是直接修改特定进程的信号位图的特定比特位，从 0 变成 1。并且， pcb 是内核数据结构，只有操作系统可以进行修改，那么无论以何种方式产生信号，最后都要由操作系统进行“发送”。

📕 信号产生

认识 signal 函数

请添加图片描述

signal 可以改变指定信号的执行动作， SIGINT代表的是2号信号，下面代码中的 signal(SIGINT,handler1); 就是将 2 号信号的执行动作，改为 handle1()。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>

using namespace std;

void handle1(int signum)
{
    cout<<"I get a signal:"<<signum<<endl;
}


void test1()
{
    signal(SIGINT, handle1);

    while (true)
    {
        cout << "我是一个正在运行的进程，pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main(int argc,char* argv[])
{
    test1();
    return 0;
}

如下运行结果，原本进程收到二号进程，应该杀死前端进程，现在变成了执行自定义动作。此外，Ctrl+C 也是一样的，发送二号进程。

signal(SIGINT,handler1); 并没有调用 handler1 方法，而是在执行**用户动作的自定义捕捉，**仅仅是改变了 2 号信号的执行动作。向该进程发送 2 号信号之后，进程才会调用 handler1 方法！

此外，在执行自定义的动作时，要求操作系统切换到用户态来执行！如果是在核心态，那么可以执行任何操作，假如自定义动作里由一些恶意代码，就会导致无法挽回的错误！！

请添加图片描述

当然，可以给所有信号设置同一个处理动作，如下。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>

using namespace std;

void handler1(int signum)
{
    cout<<"I get a signal:"<<signum<<endl;
}


void test1()
{
    for(int i=1;i<=31;++i)
    {
        signal(i,handler1);
    }

    while (true)
    {
        cout << "我是一个正在运行的进程，pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main(int argc,char* argv[])
{
    test1();
    return 0;
}

通过下图运行结果可以看出，9 号信号是无法被替换的。因为 9 号信号是可以杀死任何进程，如果 9 号信号也被替换执行动作，那么就可以由此设计 bug ，让一个进程永远无法被杀死！

请添加图片描述

键盘产生信号

例如快捷键 Ctrl+C，产生 2 号信号；Ctrl+ / 产生 3 号信号……

由计组方面的知识，我们不难理解操作系统读取键盘的数据过程，首先，按下键盘，产生中断号，根据中断号在中断向量表中找到对应的函数指针，调用函数，读取键盘的数据。例如，操作系统读取到 Ctrl+C 之后，会将其解释成信号。

此外，还可以通过 kill 指令产生信号。

kill -X pid ，可以向指定进程（pid）发送指定信号（X）。

在命令行通过 kill 指令，可以向目标进程发送信号。上面的运行结果已经有所展示。

通过系统调用产生信号

kill 系统调用

请添加图片描述
如上是 kill 系统调用，第一个参数是进程号，第二个参数是发送的信号编号。

下面代码是对 kill 系统调用的一个实践，要求在命令行输入 ./mysignal 信号编号进程号就可以对目标进程发送相应的信号（生成的可执行文件是 mysignal ，所以 ./mysignal ）。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>

using namespace std;

void Manual(char* str)
{
    cout<<"Manual"<<endl;
    cout<<str<<"信号编号 目标进程"<<endl;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        Manual(argv[0]);
    }

    int signum=atoi(argv[1]);
    int procpid=atoi(argv[2]);

    //cout<<procpid<<" "<<signum<<endl;

    int n=kill(procpid,signum);
    if(n != 0)
    {
        cout<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(-1);
    }

    return 0;
}

如下是执行结果。

请添加图片描述

raise 系统调用

请添加图片描述
这个系统调用，会向调用它的进程发送信号！参数是几，就发送几号信号！

abort 系统调用

请添加图片描述

调用 abort() 可以对当前进程发送指定信号（六号）！如下是测试代码以及运行结果：

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>

using namespace std;

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


int main(int argc,char* argv[])
{
    signal(SIGABRT,myhandler);

    while(true)
    {
        cout<<"test start"<<endl;
        sleep(1);
        abort();
        cout<<"test end"<<endl;
    }
    return 0;
}

根据结果我们可以看出， “test end” 并没有打印出来，也就是说——即使我们对 6 号信号设置自定义动作，但是它执行完自定义动作之后，依然会让当前进程退出！！

请添加图片描述

软件条件产生信号

软件条件，就是字面意思，即软件方面的条件。例如，在使用管道进程进程间通信的时候，如果读端关闭，那么写端就无法向管道写入数据，保持读端开启，这就是软件条件！

#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（14号信号）, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

如下，可以测试一秒钟能执行多少次 count++ ，以此来测试计算机的算力！

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>

using namespace std;

void myhandler(int signo)
{
    cout<<"the result is："<<count<<endl;
    exit(1);
}


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

    alarm(1);
    while(true) count++;
    return 0;
}

如下是运行结果：

请添加图片描述

此外，如果闹钟还没有响，进程又收到了闹钟信号，会如何呢？用下面的代码进行测试！

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>

using namespace std;

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

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

    alarm(1);
    while(true);
    return 0;
}

如下是运行结果，其实，alarm() 的返回值，是上一个闹钟还剩下的时间！

请添加图片描述

硬件异常产生信号

写 C/C++ 程序的时候，遇到野指针、除0等操作，进程就会崩溃，它们崩溃的原因，在这里就可以得到解释！

以除0为例，如下，CPU 中有一个状态寄存器，当本次计算出现溢出问题，状态寄存器中的溢出标志位置为1，进而CPU这个硬件本身发生异常，然后操作系统识别到了硬件异常，向引起硬件异常的进程发送SIGFPE信号！（CPU中保存了当前正在运行的进程的pcb，所以可以找到它）

注意，SIGFPE信号（8号信号）是由于溢出问题产生的，不同的问题会产生不同的信号，要关注的重点不是进程退出，而是收到了几号信号，因为可以根据信号来判断进程是由于什么原因退出的！！

请添加图片描述

如下代码和运行结果，为 SIGFPE 设置自定义动作，可是它却重复打印，进程没有退出。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

using namespace std;

void handler(int signo)
{
  cout<<"我的进程收到了："<<signo<<"信号导致崩溃"<<endl;
}


void test1()
{
  signal(SIGFPE,handler);
  int a=10;
  a/=0;
  cout<<"10 div 0 here"<<endl;
}

int main()
{
  test1(); 

  return 0;
}

请添加图片描述

重复打印的原因是：当前进程执行除0的代码，CPU的溢出标志位置为1，出现异常。而因为进程没有退出，状态标志位属于进程的上下文，所以无论这个进程被怎么调度，状态标志位始终是异常的，并且进程也没有退出，也没有去改变溢出标志位，所以操作系统就一直检测到硬件异常！一直发送信号。

进程没有退出的原因是，我们设置了自定义捕捉。在 handler里面调用 exit 就可以退出。

执行下列代码，会出现野指针异常。

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int* p=nullptr;
    //p=100;
    *p=100;
	return 0;
}

但是其本质却并不简单。首先，指针变量 p 里面保存的是进程地址空间里的地址，也就是虚拟地址。当执行 *p=100; 这个代码的时候，不是直接向 p 这个地址的空间写入内容，而是要先完成虚拟地址到物理地址的转换！这需要 MMU 这个硬件的协助！！

页表除了有虚拟地址到物理地址的映射关系，还有访问权限（当然还有其他标志位），这表示虚拟地址对映射到的物理地址有哪些权限（rwx）。

那么，当执行 *p = 100; 先执行虚拟地址到物理地址的转化，如果操作系统通过 MMU 在页表中没有找到 p 保存的虚拟地址到物理地址的映射关系，那么 MMU 硬件报错。如果查找到了对应的映射关系，但是，并没有写的权限，那么也无法执行这行代码，所以MMU 报错！ MMU 硬件报错，会被操作系统识别到，操作系统找到当前进程的 pcb，然后对它发送信号！

请添加图片描述

📕 核心转储

操作系统可以在进程收到异常的时候，将核心代码部分进行核心转储，将内存中进程的关键数据全部 dump 到磁盘中。这个功能在云服务器上是默认关闭的，需要手动打开。

如下，凡是 Action 为 Term 的，则仅仅终止进程； Action 为 Core 的，会先进行核心转储，再终止进程。

请添加图片描述

首先可以使用 ulimit -a 指令查看一些信息，如下 core file size 默认设置为0。

在这里插入图片描述

使用 ulimit -c 指令修改 core file size 的大小，设为 1024。

在这里插入图片描述
如下，是对核心转储功能的验证！

在这里插入图片描述

当然了，如何使用核心转储生成的文件才是重点。如下，生成调试文件 mysignal（g++ 指令最后要加上 -g）。运行出错，使用 gdb 调试 mysignal，在 gdb 界面使用 core-file [filename] 指令，就可以定位错误点！

请添加图片描述

此外，之前所说的进程等待，等待得到的数据里，有一个 core dump 标志位，就和核心转储有关。如果生成了核心转储文件， core dump 标志位就为1，否则为0。

在这里插入图片描述

📕 信号保存

下面是信号其他相关常见概念。

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。
进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
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.
注意,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。

如下，在操作系统的 pcb 中，会维护三张表。

pending 表，位图结构，比特位的位置表示哪一个信号，比特位的内容表示是否收到该信号（1为收到，0为未收到）。
bloc 表，位图结构，比特位的位置表示哪一个信号，比特位的内容，代表该信号是否被阻塞。
handler 表，本质上是一个函数指针数组，存储的是一个个指针。该数组下标表示信号编号，特定下标的内容，表示该信号的递达动作（默认、忽略、自定义）。

所以，这也就可以解释，为什么在没有收到信号的时候，就已经知道要对每个信号做什么动作了！就是因为 handler 表的存在！

请添加图片描述

当然了，信号递达的自定义动作已经通过 signal 函数了解了，默认动作自然不必多说。如果想要观察到忽略的动作，以2号信号为例，可以 signal(2,SIG_IGN); 这表示将2号信号忽略，这样进程收到 2 号信号就不会做任何动作。

信号集函数

由于 block 和 pending 都是位图结构，所以有一个专门的类型 —— sigset_t 来描述。可以实例化出两个 sigset_t 的对象 s1、s2 ，分别控制 block 表和 pending 表，控制 block 表的叫做信号屏蔽字，控制 pending 表的叫做 pending信号集。

但是，光有类型还不够，也要匹配对应的方法。所以，信号集函数应运而生。sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印 sigset_t 变量是没有意义的。

#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);

函数sigemptyset 初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号。
函数sigfillset 初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置为1，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
注意,在使用sigset_ t类型的变量之前，一定要调用 sigemptyset 或 sigfillset 做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用 sigaddset 和 sigdelset 在该信号集中添加或删除某种有效信号。

sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

请添加图片描述

如果 oldset 是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oldset参数传出。如果set是非空指针，则根据 set 更改进程的信号屏蔽字，参数how指示如何更改。如果oldset和set都是非空指针，则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask，下表说明了how参数的可选值。

how 参数	作用
SIG_BLCOK	set 包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于 mask = mask 按位或 set
SIG_UNBLOCK	set 包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于 mask=mask&~set
SIG_SETMASK	设置当前信号屏蔽字为 set 所指向的值，相当于 mask = set

如下代码，用来测试 sigprocmask 可以设置 block 表。

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

using namespace std;

void showBlock(sigset_t* oset)
{
  int signo=1;
  for(;signo<=31;signo++)
  {
    if(sigismember(oset,signo)) cout<<"1";
    else cout<<"0";
  }
  cout<<endl;
}


int main()
{
   // 只是在用户层面进行设置
 sigset_t set,oset;
 sigemptyset(&set);
 sigemptyset(&oset);
 sigaddset(&set,2);  // 向 set 添加 2 号信号

 // 设置进入进程，谁调用，设置谁
 sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oset);
 int cnt=0;
 while(true)
 {
    showBlock(&oset);
    sleep(1);
    cnt++;
    if(cnt == 5)
    {
      cout<<"recover block"<<endl;
      sigprocmask(SIG_SETMASK,&oset,&set);
      showBlock(&set);
      exit(1);
    }
 }
  return 0;
}

一开始调用 sigprocmask 将 block 表设置为屏蔽了 2 号信号，所以在键盘按下 Ctr l+c 的时候，2号信号被阻塞，进程没有反应。后来重新设置 block 表才得以收到2号信号。

请添加图片描述

sigpending

该函数可以得到当前进程的 pending信号集。set 是输出型参数。

请添加图片描述

📕 信号处理

当进程收到一个信号，并不一定立即处理它，而是在合适的时候处理信号，因为信号的产生是异步的，当前进程可能在做更重要的事情！

当进程从内核态切换为用户态的时候，进程会在操作系统的指导下，完成信号的检测与处理！

用户态与内核态

用户态：执行自己写的代码，进程所处的状态。
内核态：执行操作系统的代码，进程所处的状态。

在进程地址空间中（以32位为例），并不是 4G 的虚拟地址都存储的用户代码和数据，有 1G 的内核空间，这个空间存储的数据就是操作系统的代码。当然了，也是通过页表映射到物理内存中，映射这片区域的页表就叫做内核页表。

所有进程的 [0,3] GB 地址空间是不同的，所以每一个进程都拥有自己的用户级页表。
所有进程的 [3,4] GB 地址空间是相同的，所有进程可以看到同一张内核级页表，所有进程可以通过统一的窗口，看到同一个 OS ！
OS 运行的本质，其实都是在进程地址空间运行的！
所以，所谓的系统调用，其本质就如同调用动态库中的方法，在自己的地址空间进行函数跳转并返回即可！

请添加图片描述

但是，如果不对此加以限制，就会造成用户的代码，可以随意访问操作系统的代码和数据（因为在同一个进程地址空间中，可以随意跳转），这是不可以的！所以就有了用户态和内核态！想要访问OS的代码和数据，进程就必须处于内核态！

也就是说，内核态可以访问任意代码和数据，用户态只可以访问用户的代码和数据。并且，**当前进程处于什么状态，是在 CPU 的寄存器上保存的！**例如，当前代码要进行系统调用，CPU 会先查看特定寄存器的状态，确认是否处于内核态，再进行后续动作！

那么现在面临一个问题：如何更改进程的状态？用户肯定不能直接更改，这样无法确保安全性。实际上，操作系统提供的所有系统调用，其内部在正式调用执行逻辑的时候，都会先修改进程的状态为内核态！

处理信号

如下，是信号捕捉的完整过程，以执行自定义方法为例。

进程执行系统调用，切换到内核态。
系统调用完成，检测信号，如果收到信号并且处理动作是 SIG_DEL 或者 SIG_IGN ，即默认或者忽略，那么对应的动作都可以在由操作系统在内核态直接完成。关键是处理自定义方法！
内核态的进程，当然可以执行用户写的代码。但是，处于安全性的考虑，执行自定义方法必须要切换到用户态！这是为了防止 handler 里有对操作系统进行修改或者其他操作的代码，这在内核态是可以直接执行的；并且，如果是用户态执行，可以查到是哪个用户，如果有什么错误也可以溯源。
执行完 hander ，不可以直接跳回进程。只能再陷入内核。
最后通过 sys_sigreturn() 返回用户态。

请添加图片描述