系统级基础信号知识【Linux】

目录

一，什么是信号 

进程面对信号常见的三种反应概述

二，产生信号

1.终端按键产生信号

signal

2. 进程异常产生信号

核心转储

3. 系统调用函数发送信号

kill

raise

abort

小结：

4. 由软件条件产生

alarm

5. 硬件异常产生信号

三，信号其他概念

1. 进程中储存信号的内核结构

2. sigset_t类型——信号集类型

3. sigpending接口

4. sigprocmask接口

5. 重新理解进程在计算机中的运行

四，捕捉信号

1. 捕捉信号流程

​编辑

2. sigaction

关键字——volatile

SIGCHLD信号

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嘿！收到一张超美的风景图，希望你每天都能开心顺心！ 

一，什么是信号 

操作系统中的信号是一种在进程间传递信息和通知的机制。它可以用来通知进程发生了某种事件，比如用户按下了某个键盘按键、进程收到了某个信号或者发生了某个错误等。

生活中的例子：

1. 手机收到新短信或来电时会发出提示音，这就是一种信号，通知用户有新的事件发生。
2. 交通信号灯会发出红、黄、绿三种不同的信号，指示车辆和行人何时可以通行。
3. 火灾报警器发出警报声，通知人们有火灾发生，需要立即疏散。
4. 门铃响起，通知主人有人来访。
5. 警报器在发现入侵者时会发出警报声，通知屋主有危险。

进程面对信号常见的三种反应概述

可选的处理动作有以下三种 :

1. 忽略此信号。

2. 执行该信号的默认处理动作。

3. 提供一个信号处理函数,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数,这种方式称为捕捉 (Catch)一个信号。

这里我们以：kill  信号为例

我们平时手动结束一个进程: kill -9  PID, 本质上是让操作系统向目标进程发送 9信号，从而结束该进程。下面是kill 相关的信号表：

以上普通信号，我们认识七八个即可

指令：man  7  signal

通过man 7 signal, 我们可以查看信号的详细信息

试问：如何理解键盘中，组合键如何实现其功能？ 

答： 首先我们得知道，键盘的工作方式：通过中断的方式产生信息。同时，操作系统中也一定有识别该组合键产生信息的记录表。

一个进程，在接受信号后，必然会对信号进程储存。进程则是通过PCB（task_struct）中位图unsigned  int来记录，信号是否存在。

而PCB又是内核数据结构，能修改PCB的也就只有OS自身。

即：信号发送的本质是，OS对目标进程的PCB中信号位图的修改。

回到组合键的问题： 

二，产生信号

1.终端按键产生信号

signal

signum:  捕获该进程信号

handler :  信号处理方法（函数指针）

比如这样：

void signalmain(int signal)
{cout << "信号处理中...  : " << signal << "  gitpid :" << getpid() << endl;
}int main()
{signal(SIGINT, signalmain);while ( 1){cout << "接受信号中...... " << endl; sleep(1);}return 0;
}

运行过程中，我们不断通过，ctrl + c的组合键进行操作。运行结果如下； 

从上面我们可以得出2个点：1.键盘的组合键确实是系统向当前进程发送信号。 2. 可以通过signal注册信号处理函数。

（signal使用须知：signal接口，并不是调用就会触发信号处理方法，它只是提前注册了信号处理函数；只有捕捉到特定信号时才会调用特定方法;  signal接口一般出现在main函数开始。）

2. 进程异常产生信号

核心转储

这个在进程控制，waitpid函数，status参数中提到过：

大概就是这样：在进程发生异常退出时，能进行核心转储，形成一个二进制的特殊文件。

解释一下，为什么云服务器核心转储默认是关闭？：因为服务器的管理，是有另外一层服务负责，他们的任务是将异常挂掉的服务进程自动重启，如果因为进程老是异常挂掉，这会导致磁盘中存在大量的转储文件，会导致资源浪费。 

我们在终端，再次打开 man  7   signal, 文档中core的意思就是核心转储。

3. 系统调用函数发送信号

kill

我们在终端输入kill -9  PID等等信号，在底层是调用了kill系统函数。kill也很简单。

kill : 进程 PID

sig:  信号编号

raise

功能很简单，就是让OS向自身进程发送信号

abort

功能： 终止自身进程（相当于向自身进程发送：kill -6）

小结：

上面这些接口，本质上都是利用系统接口调用，执行OS对应的系统调用代码，OS在PCB中设置或者是修改特定的值，进程对信号进行处理。

4. 由软件条件产生

例子： 

我们以曾经的管道为例，如果读端不仅没读，而且将读端关闭；写端一直在写。作为单向通信，写已经没有意义了，OS会终止写进程，发送SIGPIPE（13），这构成不了软件级的条件。 

alarm

 

 功能：就是过 seconds 秒后，OS将自动向该进程发送SIGALRM（14）信号。

注意：当进程开始，当alarm被触发后向进程发送信号，但我们要注意，alarm只是发送SIGALRM信号，并不会阻断进程正常进行。

5. 硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。

例如：当前进程执行了除以0的指令, CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。

void func(int st)
{cout << "接受到信号: " << st << endl;
}int mian()
{signal(SIGFPF, func);int count = 150;z = count / 0;while(1) {sleep(1);}
}

 现象：会一直打印 “接受到信号： 8”

1. 首先我们得思考，这个信号是谁发出的呢？

CPU运算单位异常详细解释：CPU内部有寄存器，其中一个状态寄存器（位图存储信息），有对应的状态标记位，溢出标记位。OS会自动进行计算检测（先检测再计算），如果状态标记位是1(可以理解为是否异常)，OS会立即调取进程PID，向目标进程发送信号，然后就是进程会选择合适的时机处理信号。因此， 一些运算，并不都是软件层产生的信号，一些则是硬件层产生的信号。

2，硬件出现异常，进程就一定会退出吗？  

     不一定，如果我们没有捕获信号，那么进程默认退出；而捕获后，我们的就可以控制进程是否退出。

3. 为什么上面代码，会进入死循环？？

     在捕获信号后，信号处理中并未退出进程，该进程还在CPU运行队列中，将会被再次调度，当再次调度时OS还会继续检测，会继续发送信号，然后被捕获处理，接着继续在CPU运行队列中。

再比如：当前进程访问了非法内存地址,MMU(硬件)会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

注： 野指针的异常，常常会有段错误： Segmentation fault

void func(int st)
{cout << "接受到信号: " << st << endl;
}int mian()
{signal(SIGSEGV, func);int *count = nullptr;*count  = 100;while(1) {sleep(1);}
}

现象还是：死循环打印 “接受到信号: 11"

1. 如何理解地址访问？？

     首先我们访问一个数据目标，我们一定得访问其物理地址。那么中间会有一段虚拟地址转换为物理地址的过程，由页表(并不是软件结构，而是一种硬件) + MMU(Memory Manager  Unit, 是一种硬件) , 当错误的地址被MMU（硬件寄存器）读取后，一定会报错，OS将MMU的报错转换为信号发送给进程，让其退出。

2. 死循环原因？？

     因为状态寄存器储存进程的状态，在信号发送完一次后，再次被调度时，检测到进程状态寄存器中的异常，则又会发送信号，然后被切换保存进程上下文，就这样一直继续下去。

三，信号其他概念

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（ 一般情况下，进程不会阻塞任何一种信号）。

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。

1. 进程中储存信号的内核结构

我们可以回想，之前是使用的signal系统接口：

结合上图，可以这么理解：sig就是pending中，对应信号的位置；第二参数位，我们暂时叫func, func就是对handler[sig]中设置处理函数的地址。

上面是对信号的自定义处理。

而执行默认处理

signal(SIGSEGV, SIG_DFL); // 对应的下标是0

忽略处理

signal(SIGSEGV, SIG_IGN); // 下标为1

这有一点需要注意的是：当OS检测到进程的一个信号，下标值为signalsum，并不是直接handler[signalsum]直接访问，而是先比较是否是SIG_DEL(0)或者SIG_IGN(1)，再比较自定义处理。

2. sigset_t类型——信号集类型

从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储， sigset_t称为信号集，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有 效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。下一节将详细介绍信号集的各种操作。 阻塞信号集也叫做当前进程的 信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。（ 总结：block, pending都可以用sigset_t类型表示）

sigset_t类型的理解：

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。

信号集处理，相关函数：

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);  // 将信号集全设置为0，信号集初始化。

int sigfillset(sigset_t *set);        // 将信号集设置为1

int sigaddset (sigset_t *set, int signo);  // 添加某一信号

int sigdelset(sigset_t *set, int signo);    // 删除某一信号

int sigismember （const sigset_t *set, int signo); //   判断一个信号集的有效信号中是否包含某种 信号, 若包含则返回 1, 不包含则返回 0, 出错返回 -1

3. sigpending接口

功能： 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 。 

4. sigprocmask接口

功能：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)。

set: 是我们自定义的一个信号集。

how:  传入的set，对该进程的阻塞信号集进行怎样的操作，比如：添加屏蔽字，删除屏蔽字，覆盖屏蔽字。

oset:  传入一个新set,  储存修改前旧的阻塞信号集。

how可选值：

实践：

void cmpshow(const sigset_t& set)
{for (int i = 1; i <= 31; i++){if (sigismember(&set, i)){cout<< "1";}else cout << "0";}cout << endl;
}int main()
{sigset_t set, oset;sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);sigaddset(&set, 2); // 目标阻塞信号 2sigpending(&oset);int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);assert(n == 0);  // n 必然==0(void)n;  // 目的是调用一次n,避免在release版本中，n未被调用的警告while (1){sigset_t tmp;sigemptyset(&tmp);sigpending(&tmp);cmpshow(tmp);sleep(1);} return 0;
}

 问：为什么没有设置pending信号集的接口？？ 答：没必要，像kill, raise,  abort指令接口都可以修改pending。

小结：我们的进程中的信号，都有各自接口负责管理，处理函数——signal; 信号未决表——sigpending;  阻塞信号集——sigprocmask。

代码知识加餐：

  int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);assert(n == 0);    // n 必然==0(void)n;           // 目的是调用一次n,避免在release版本中，n未被调用的警告

问题1，既然进程可以自己捕捉信号，那我们让进程能捕获任何信号，并且全部阻塞信号，那这样就可以制作一个无法被动退出的进程了吗？？

回答：OS的设计者已经考虑到这种情况了，所以解决方法是：kill -9  PID 这个信号是管理者信号无法被阻塞，也无法修改其处理方法（指结束进程）。

5. 重新理解进程在计算机中的运行

四，捕捉信号

1. 捕捉信号流程

如果信号的处理动作是用户自定义函数 , 在信号递达时就调用这个函数 , 这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的, 处理过程比较复杂 , 举例如下 : 用户程序注册了 SIGQUIT 信号的处理函数 sighandler 。 当前正在执行main函数 , 这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的 main 函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复 main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间 , 它们之间不存在调用和被调用的关系, 是 两个独立的控制流程 。 sighandler 函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn 再次进入内核态。 如果没有新的信号要递达 , 这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了

疑问：为什么在内核层山时，不直接调用信号处理函数呢？

答：如果信号处理函数中存在非法操作，那么贸然让计算机内核进行访问数据，计算机数据安全无法得到保证。

2. sigaction

功能：  检查或者修改信号处理方法。平时用的最多的是signal 用法简单易上手。

sig :  目标信号

struct  sigaction * ：一种放多种信息的结构体，其中就包括自定义函数处理方法sa_handler

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>void sigint_handler(int signo) {printf("Caught SIGINT, exiting...\n");exit(1);
}int main() {struct sigaction sa;// 对结构体内数据初始化sa.sa_handler = sigint_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;    if (sigaction(SIGINT, &sa, NULL) == -1) {perror("sigaction");exit(1);}printf("Press Ctrl+C to send SIGINT...\n");while (1) {// Do some work}return 0;
}

当某个信号的处理函数被调用时 , 内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字 , 当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字, 这样就保证了在处理某个信号时 , 如果这种信号再次产生 , 那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时, 除了当前信号被自动屏蔽之外 , 还希望自动屏蔽另外一些信号 , 则用 sa_mask 字段说明这些需要额外屏蔽的信号, 当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。

关键字——volatile

该关键字在C当中我们已经有所涉猎，今天我们站在信号的角度重新理解一下。

示例代码：

int tmp = 0;void func(int sig)
{cout << "tmp: " << tmp << "-->";tmp = 1;cout << tmp << endl;
}int main()
{signal(2, func);while (!tmp);return 0;
}// 编译
signal : signal.ccg++  -std=c++11 -o $@ $^ -O3 -g# -O3 ————编译器对代码进行三级优化./PHONY: clean
clean:	rm -rf signal

现象：进程开始运行后，进行ctrl +  c，进程结束，一切正常。但未来我们的代码会跑在各种各样的编译器上，其中一些优化就会影响这个过程。这里就直接说了，在编译时，添加 -o3  进行三级优化，由于tmp没有进行写入操作，寄存器直接用0代替了tmp，这就会导致我们使用 ctrl  +  c,无法终止循环。而  volatile(易变的)  就是提醒计算机，请不要优化该数据。

因此，用  volatile 修饰即可tmp即可。 

SIGCHLD信号

进程一章讲过用wait和 waitpid函数清理僵尸进程，父进程可以阻塞等待子进程结束， 也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理( 也就是轮询的方式——查看子进程是否发来信号 ) 。

采用第一种方式， 父进程阻塞了就不能处理自己的工作了；

采用第二种方式， 父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一 下， 程序实现复杂。

其实， 子进程在终止时会给父进程发 SIGCHLD 信号， 该信号的默认处理动作是忽略， 父进程可以自定义SIGCHLD 信号的处理函数， 这样父进程只需专心处理自己的工作， 不必关心子进程了， 子进程终止时会通知父进程， 父进程在信号处理函数中调用wait 清理子进程即可。

下期：多线程

结语

   本小节就到这里了，感谢小伙伴的浏览，如果有什么建议，欢迎在评论区评论，如果给小伙伴带来一些收获请留下你的小赞，你的点赞和关注将会成为博主创作的动力。