Liunx系统编程：进程信号的概念及产生方式

目录

一. 进程信号概述

1.1 生活中的信号

1.2 进程信号

1.3 信号的查看

二. 信号发送的本质

三. 信号产生的四种方式

3.1 按键产生信号

3.2 通过系统接口发送信号

3.2.1 kill -- 向指定进程发送信号

3.2.2 raise -- 当自身发送信号

3.2.3 abort -- 向自身发送进程终止信号 

3.3 软件条件产生信号

3.3.1 管道通信读端关闭

3.3.2 时钟问题

3.4 硬件异常产生信号

3.4.1 除0错误

3.4.2 野指针、越界访问问题

四. Core dump问题

4.1 什么是core dump

4.2 进程退出状态中的core dump标记位

4.3 用core文件调试代码

五. 总结

---

一. 进程信号概述

1.1 生活中的信号

在生活中，信号作为信息通知的一种手段无处不在，我们看到信号后，需要根据信号的种类，来对信号做出特定的反应。如：红绿灯、起床闹钟、警铃、电话铃声等，都属于信号的范畴。

我们能对信号做出相应的反应，是因为我们能够识别信号，并且知道对应的处理动作。按照日常经常，对于生活中的信号，做出以下的特性总结：

1. 我们能够认识识别某种信号。
2. 即使没有出现特定信号，我们也知道信号发出之后应当做出什么反应。
3.  我们可能暂时不对信号进行处理，等待合适时机再处理。
4. 如果暂时不处理信号，我们需要暂时记住信号，等待处理。

1.2 进程信号

进程信号与生活中的信号，都是用于信息通知的。我们可以这样理解进程信号：进程信号是一种信息通知机制，由用户或操作系统发送给特定的进程，通知进程发生了某事件，进程可以稍后处理。

进程对于信号的处理，与生活中的信号处理策略本质相同，可归为以下三类：

1. 按照默认方式处理。（红灯停绿灯行，铃响后马上起床等）
2. 自定义处理方式。（铃响后再睡十分钟回笼觉然后起床）
3. 忽视信号，即不做任何相应。（铃响后让它一直响，继续在床上睡觉）

同样，我们也可以推断出进程信号应用的特性如下：

1. 进程有识别信号的能力。（每个信号都有对应的编号用于进程识别）
2. 进程有默认处理信号的方法。（由程序员写的代码决定默认处理方法）
3. 进程可以对信号进行延后处理，或根本不处理。
4. 用户可以自定义对于特定信号的处理方式。（signal函数）
5. 信号的产生和进程的运行是异步的，即：产生信号时，进程可能在忙自己的事情，延后对信号的处理，而不是立马处理。

1.3 信号的查看

在Linux系统中，通过kill -l指令，可以查看系统中所有内置信号的编号与对应名称，如图1.1所示。

其中2号信号SIGINT，就对应我们经常使用的 Ctrl + C 终止进程。

图1.1 信号列表的查看

观察图1.1，我们发现，信号的最高编号为64，没有0号信号，没有32、33号信号，Liunx总共定义有62个信号。其中：

• 1 ~ 31：普通信号。
• 34 ~ 64：实时信号。

普通信号用于OS通过正常的运行调度队列调度的进程，即：进程轮番拿到CPU上去运行，每个进程每次在CPU上运行特定的时间片长度，然后切换运行进程。 

实时信号只用于极少数的生产环境，这是OS要求要对某个进程运行完毕才可以从CPU上拿下，且进程不应在调度队列中等待调度，而是应当立马调度运行。如：车载系统接收到刹车指令，不可以等待其他进程运行，也必须一次完成运行。

通过man 7 signal指令，下翻查找，我们可以看到每种信号的默认处理方式。

• Term -- 进程终止，不发生核心转储。
• Core -- 进程终止，发生核心转储。 
• Ign -- 子进程暂停运行或终止。
• Cont -- 继续运行进程。
• Stop -- 暂停运行进程。

图1.2 信号的默认处理方式

二. 信号发送的本质

要理解信号发送的本质，首先要理解进程如何保存信号。对信号进行保存，需要记录：a.哪一种信号，b.特定信号是否产生。

这让我们很容易想到位图这种数据结构，位图中通过对特定比特位设置0/1值，来表示某件事情是否发生或某对象是否存在。进程PCB中存有位图这种数据结构来保存信号，每种信号都有其对应的编号，每个编号对应位图中的一个bit位，1表示产生并保存了某信号，0表示没有保存某信号。

如果进程收到了某信号但暂时不对信号做出响应，那么就应当将位图中对应的bit位由1置0，等待进程做出了响应之后，在置回0。

总结信号发送的本质为：OS向目标进程写信号 -> OS改变进程中记录信号状态的位图中的特点bit位 -> 完成信号发送过程。

Crtl + C 组合键终止进程最终也是改变进程中位图的bit位值，键盘中特定槽位的按键按下，键盘驱动就会将按键按下的信息传给OS，OS就会将按键信息转换为信号，然后发送给进程。

三. 信号产生的四种方式

3.1 按键产生信号

通过组合键的方式，可以向进程发送信号，如：

• Ctrl + c：向前台进程发送2号信号SIGINT。
• Ctrl + \：向前台进程发送3号信号SIGQUIT。

其中2号信号的默认处理方式为进程终止，不进行核心转储，3号信号的默认处理方式为终止进程，进程核心转储。（本文后面会对核心转储进行讲解）

如代码和图3.1所示，运行一个间隔1s输出进程pid的进程，通过Ctrl + C组合键和Ctrl + \组合键向这个死循环进程发送信号，进程都终止掉了，即使没有运行到最后的代码。

代码3.1：死循环打印进程pid

#include <iostream>
#include <unistd.h>int main()
{while(true){std::cout << "This is a process, pid:" << getpid() << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

图3.1 代码3.1运行结果

3.2 通过系统接口发送信号

3.2.1 kill -- 向指定进程发送信号

函数原型：int kill(pid_t id, int sig)

头文件：#include<sys/types.h>、#include<signal.h>

函数功能：向特定进程发送指定信号

返回值：发送成功返回0，失败发挥-1

编写信号发送程序的源文件kill.cc如代码3.2所示，编译生成可执行文件取名为kill，在命令行参数中输入 ./kill [id] [sig]，即可向指定进程发送特定信号。如图3.2所示，通过kill向死循环进程发送8号信号，进程被终止掉了。

8号信号SIGFPE：浮点数错误，常发生于 x/0 的情况（除0错误）

代码3.2：信号发送kill.cc

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int main(int argc, char** argv)
{// 发送信号，必须要有三个命令行参数if(argc != 3){std::cout << "参数个数错误" << std::endl;exit(1);}int id = atoi(argv[1]);    // 获取结束信号进程的idint sig = atoi(argv[2]);   // 获取信号编号kill(id, sig);    // 发信号return 0;
}

图3.2 通过kill发送信号

3.2.2 raise -- 当自身发送信号

函数原型：int raise(int sig)

头文件：#include<signal.h>

函数功能：向自身发送指定编号的信号

返回值：发送成功返回0，失败发挥-1

代码3.3在通过fork创建子进程，在子进程中循环5次后，通过raise向子进程本身发送8号信号，父进程阻塞等待子进程退出，接收子进程的返回信号并输出到屏幕，代码运行结果见图3.3。

代码3.3：raise向自身发信号

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");exit(1);}else if(id == 0){// 子进程代码int count = 0;while(true){std::cout << "[Child process]# [" << getpid() << \"], count:" << ++count << std::endl;if(count == 5){raise(SIGFPE);    //向吱声发送8号信号}sleep(1);}exit(0);}int status = 0;pid_t n = waitpid(id, &status, 0);std::cout << "signal:" << (status & 0x7F) << std::endl;return 0;
}

图3.3 代码3.3的运行结果

3.2.3 abort -- 向自身发送进程终止信号 

函数原型：void abort()

头文件：#include <stdlib.h>

函数功能：向自身发送6号终止信号SIGABRT

代码3.3：abort向自身发送进程终止信号

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");exit(1);}else if(id == 0){// 子进程代码while(true){std::cout << "[Child process]# pid:" << getpid() << ", ppid:" << getppid() << std::endl;abort();   // 向子进程自身发送进程终止信号}exit(0);}int status = 0;pid_t n = waitpid(id, &status, 0);std::cout << "signal:" << (status & 0x7F) << std::endl;return 0;
}

3.3 软件条件产生信号

软件条件产生信号，就是OS检测到某种软件条件触发或者不满足，由OS向指定进程发送信号。如：a. 管道通信中，读段关闭，写端进程退出   b.时钟问题

3.3.1 管道通信读端关闭

管道通信，是一种提供访问控制的进程间通信方式，一端进程负责写数据（写端），另一端进程负责读数据（读端），如果读端关闭，那么写端就不再有意义，OS会强制终止写端进程。OS终止写端进程的方法就是发送13号信号SIGPIPE。

代码3.4对上述现象进行复现，a. 通过fork创建子进程 -> b. 父进程读数据，子进程写数据 -> c. 父子进程进行一段时间的通信 -> d.关闭父进程读端管道 -> e.父进程阻塞等到子进程退出，输出退出状态信息。运行代码，可见子进程因接收到了13号SIGPIPE信号而终止退出。

代码3.4：管道通信中因软件条件产生信号

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{// 1.创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);   // 管道创建if(n == -1){perror("pipe");exit(1);}// 2.创建子进程pid_t id = fork();   // 让子进程写数据， 父进程读数据if(id == 0){// 子进程发送数据// 3. 关闭不需要的fdclose(pipefd[0]);// 4. 写数据// char send_buffer[1024] = {0};std::string message = "[Child process]# Send message to you";while(true){// 子进程间隔一秒发送数据ssize_t sz = write(pipefd[1], message.c_str(), message.size());if(sz > 0) sleep(1);else break;}close(pipefd[1]);exit(1);}// 父进程读取数据// 3. 关闭不需要的fdclose(pipefd[1]);// 4. 开始读取数据char read_buffer[1024] = {0};int count = 0;while(true){ssize_t sz = read(pipefd[0], read_buffer, 1024);if(sz > 0){read_buffer[sz] = '\0';std::cout << "[" << getpid() << "]" << read_buffer << ", count:" << ++count << std::endl;if(count == 5){// 关掉读端// 终止读取死循环close(pipefd[0]);break;}}else break;}// 5. 父进程阻塞等待子进程退出int status = 0;waitpid(id, &status, 0);std::cout << "child process exit, write end, exit signal:" \<< (status & 0x7F) << std::endl;return 0;
}

图3.4 代码3.4的运行结果

3.3.2 时钟问题

首先要了解一下时钟接口函数alarm。

alarm函数：

函数原型：unsigned int alarm(unsigned int second)

头文件：#include<unistd.h>

功能：调用时钟函数second秒后，向进程发送14号SIGALRM信号，在倒计时期间进程继续运行不受影响。

返回值：如果之前有alarm函数被调用，返回上一个时钟倒计时还有几秒，如果之前没有alarm函数被调用，返回0。

代码3.5为算力评估函数，通过时钟函数，自定义处理14号SIGALRM信号的方法，计算1s内CPU能够进行多少次的++操作，在自定义信号处理方法中输出。

代码3.5：通过alarm函数进行算力评估

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>uint64_t count = 0;void handler(int sig)   // 自定义信号处理函数
{std::cout << "count end, final count:" << count << std::endl;exit(0);
}int main()
{signal(SIGALRM, handler);alarm(1);   // 倒计时1秒while(true) ++count;return 0;
}

图3.5 代码3.5的运行结果

3.4 硬件异常产生信号

硬件异常，被硬件以某种方式记录（通常为寄存器中的状态标记信息），由OS检测到，并产生信号发送给进程。比如：除0错误被CPU检查并记录，OS检测到并产生SIGFPE信号发送给进程，再比如野指针、越界访问内存的问题，MMU检测到了非法访问，由硬件记录异常状态，OS检测到后发送SIGSEGV信号给进程。

Linux中越界访问、野指针等问题通常都被记录为段错误Segmentation fault，对应11号SIGSEGV信号。

3.4.1 除0错误

代码3.6自定义了对SIGFPE信号的处理方法handler_signal，出现异常程序不会退出终止，在主函数中，先人为写出除0错误，然后while(true)死循环。

按照我们的一般认知，进程在接收到信号后只会执行一次对应的自定义处理动作，但是，如图3.6所示，handler_signal函数在不断地被运行，这是为什么？更加奇怪的是，如果将代码中发生/0错误的部分注释掉，通过命令行kill -8的方法，人为向进程发送8号信号，handler_signal就只会被执行一次！

代码3.6：除0错误引发硬件异常

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void handler_signal(int sig)
{std::cout << "recieve a signal:" << sig << std::endl;sleep(1);
}int main()
{signal(SIGFPE, handler_signal);int a = 10;int b = a/0;while(true) {}return 0;
}

图3.6 代码3.6运行结果

自定义handler_signal后，除零错误产生的现象：

• 如果代码本身发生除0错误，handler_signal被一次次执行。
• 如果人为通过kill -8发送信号，handler_signal只被执行一次。 

产生这种现象的原因就在于，代码本身产生的除0错误为硬件异常，而人为kill -8发送信号不经由硬件，直接被OS处理后将信号发送给进程。

我们可以以如下的方式理解硬件产生的除0异常和上面的奇怪现象：

• 计算是由硬件（CPU）来完成的，CPU会赋值进行溢出检查。
• CPU的寄存器中会记录有状态信息，其中就包括溢出标志位，如果出现除0错误或其他溢出问题，CPU寄存器中的溢出标志位就会被置1，OS会在计算完成时对CPU寄存器中的状态信息进行检测，如果检测到溢出标记位为1，OS就会向进程发送8号SIGFPE信号。
• 进程接收到了8号异常信号后，并不一定会退出（如果自定义了处理函数）。
• 若进程不退出，OS就会对CPU寄存器中的状态信息进行轮巡检测，溢出标记在除零错误发生后并没有被置回0，OS就会不断检测到异常信息，进而不断向进程发送SIGFPE信号，进而一直在调用handler_signal处理信号。
• 通过kill -8 发送信号，是一种纯软件行为，并没有经过硬件，没有设置过CPU中的标记位，在CPU轮巡检测的过程中也就不会被不断检测出异常。

3.4.2 野指针、越界访问问题

当某个进程需要访问物理内存资源时，需要先拿到进程地址空间的虚拟地址，再通过 页表 + MMU(Memery Manager Unit，内存管理模块) 映射到物理内存的方式来访问。

我们获取认为页表映射是OS所进行的软件行为，其实不是，试想一下，通过页表映射物理内存是进程运行过程中大量、高频执行的操作，如果有OS来进行这一操作，就严重延缓了计算机设备的整机效率。

实际的情况是：OS将页表和虚拟地址信息，以二进制的方式写入到硬件中去，通过虚拟地址 + 页表 映射物理内存的方法，是由硬件来完成的，那么出现越界、野指针等问题，也理应属于硬件异常。

我们可以按照以下方式理解野指针、越界访问的问题：

• 进程必须要通过地址来访问物理内存，而现代计算机使用的都是虚拟地址。
• 虚拟地址需要通过 页表 + MMU（Memery Manager Unit，硬件）来完成虚拟地址到实际地址的转换。
• 在不考虑编译器优化的情况下，如果出现野指针、越界访问等问题，MMU一定会报错。
• 页表 + MMU映射物理内存地址是硬件层面的操作，出错当然也属于硬件异常，硬件会对相应的寄存器标志位进行设置，供OS进行轮巡检测。

出现野指针、越界访问等问题在Linux中属于段错误，OS会向进程发送11号SIGSEGV信号。

代码3.7模拟了野指针问题产生的硬件异常行为，代码运行结果与3.6一致，都是不间断执行信号处理函数signal_handler，因为OS在对硬件寄存器中的信息进行轮巡检测。

代码3.7：野指针问题引发硬件异常

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void handler_signal(int sig)
{std::cout << "recieve a signal:" << sig << std::endl;sleep(1);
}int main()
{signal(SIGSEGV, handler_signal);int* pa = nullptr;*pa = 10;while(true) {}return 0;
}

图3.7 代码3.7的运行结果

四. Core dump问题

4.1 什么是core dump

通过man 7 signal，查看每种信号对应的默认处理方法，如果为Core，那么默认会产生Core文件，OS会将当前进程内存中的核心数据全部保存到Core文件中，Core文件是用来调试的。

如：3号SIGQUIT信号、8号SIGFPE信号、11号SIGSEGV信号，默认触发响应都会产生Core文件，而2号SIGINT、9号SIGKILL信号，默认不会产生Core文件。

一般而言，生产环境、云服务器的core dump功能都是关闭的，如果想要在响应信号的时候产生core文件，还必须保证core dump功能打开。

• ulimit -a 指令：可用于查看core dump功能是否打开，如果输出结果的第一行core file size为0，那么表示core dump功能没有打开。
• ulimit -c [size] 指令 -- 通过指定file文件的大小（非0），来打开core file功能。

图4.1 查看和开启core dump

4.2 进程退出状态中的core dump标记位

通过wait/waitpid函数，可以实现父进程对子进程的等待，wait/waitpid函数都可以接收int*类型的输出型参数，用于记录子进程的退出状态，我们称之为int status，status在进程正常退出和异常退出的状态下，如图4.2所示根据退出状态和status比特位的划分，对应子进程退出状态。

图4.2 进程退出状态status的比特位使用情况

代码4.1创建进行死循环的子进程，并且waitpid阻塞等待子进程退出，输出信号编号和core dump标记位，在代码运行起来后，通过在命令行中向子进程发送3号信号(kill -3 [pid])，强制子进程终止并在进程终止后通过ll指令查看当前路径下的文件及属性，可以看到生成的core文件。

代码4.1：子进程信号编号和core dump标志的获取

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main()
{// 1. 创建子进程pid_t id = fork();   if(id < 0){perror("fork");exit(1);}else if(id == 0){// 2. 子进程代码while(true){std::cout << "[Child process]# pid:" << getpid() << ", getppid:" << getppid() << std::endl;sleep(1);}exit(0);}// 3. 父进程阻塞等待子进程，并获取退出状态int status = 0;waitpid(id, &status, 0);//4. 检查子进程退出状态if(WIFEXITED(status)){std::cout << "子进程正常终止" << std::endl;std::cout << "exit code: " << WEXITSTATUS(status) << std::endl;}else{std::cout << "子进程被信号所杀" << std::endl;std::cout << "signal:" << (status & 0x7F) << ", core dump:" << ((status >> 7) & 1) << std::endl;}return 0;
}

图4.3 代码4.1的运行结果

4.3 用core文件调试代码

Linux下的gcc/g++编译器默认采用Release版本发布可执行程序，若要对代码进行调试，就需要Debug版本的可执行程序，这就需要在使用gcc/g++编译源文件的时候添加-g选项。

代码4.2人为制造除0错误，这样就会有8号信号发给进程，8号信号默认会产生core文件。编译代码，生成Debug版本的可执行程序。使用gdb启动调试之后，在命令行中输入指令core-file [core文件名]，就会显示出出现异常的行数，以及其他的错误信息。

gdb指令：core-file [core文件名] -- 引入core文件调试代码，定位出错位置，查看错误信息

代码4.2：出现异常并生成Core文件的测试代码

#include <iostream>
#include <unistd.h>int main()
{int a = 10;int b = a/0;sleep(1);std::cout << "run here" << std::endl;return 0;
}

图4.4 代码4.3的运行和调试结果

五. 总结

• 进程信号用于向进程发送信息，通知进场某件事情的发生，进程咱叔不响应信号，等待合适的时机再进行响应。
• 进程处理信号的方式和分为三种：a. 按照默认方式响应  b.按照用户自定义的方式响应  c.直接忽略信号，不做处理。
• 如果进程暂时不响应信号，则需要对进行进行暂时保存。信号保存需要存储信号编号以及它是否产生，Linux中使用位图保存信号，而位图存于每个进程的PCB中。
• 发送信号的本质，就是更改位图中对应的二进制位。
• 信号可以通过四种方式产生：1.按键  2.系统接口调用  3.软件行为  4.硬件异常
• 如果某种信号的默认处理方式会产生core文件，而且系统的Core dump功能处于开启状态，那么进程在接收到这些信号后会生成core文件，core文件用于对代码的调试，可以帮助快速定代码中出现异常的位置以及错误信息。