Linux —— 信号初识

我们今天来继续学习Linux的内容，今天我们要了解的是Linux操作系统中的信号：

什么是信号

信号是操作系统内核与进程之间进行异步通信的一种机制，它允许系统或进程向另一个进程发送简短的控制信息，以通知进程有特定的事件发生或要求进程采取某种行动。信号是软中断，意味着它们是由软件生成的，并非直接由硬件触发。以下是Linux信号的一些关键概念：

1. 信号的来源：

• 内核: 内核可以因各种事件自动发送信号给进程，如进程试图执行非法指令、访问无效内存地址、用户按下Ctrl+C终止进程等。
• 进程: 进程可以通过系统调用kill()向自己或其他进程发送信号。
• 终端: 用户在终端上执行操作，如按下Ctrl+C或Ctrl+Z，也会导致内核向前台进程发送信号SIGINT（中断）或SIGTSTP（停止）。
• 硬件: 尽管信号主要由软件生成，某些硬件异常（如断电）也可以间接触发信号。

2. 信号的目的：

   • 通知事件: 信号用来告知进程某些状态变化或事件的发生，如子进程结束、定时器到期等。
   • 控制进程行为: 信号可以请求进程采取特定动作，比如终止、暂停、继续执行或调整优先级等。

3. 信号的处理方式：

   • 默认动作: 每个信号都有一个默认的行为，如SIGINT通常会导致进程终止。
   • 忽略: 进程可以选择忽略某些信号，即不对信号做出反应。
   • 自定义处理: 进程可以定义自己的信号处理函数，通过signal()或sigaction()系统调用来指定信号的处理方式。

4. 信号掩码和阻塞：

   • 进程可以设置信号掩码来暂时阻止（阻塞）某些信号的传递，直到进程解除阻塞。

5. 常见信号:

   • SIGINT (2): 当用户按下Ctrl+C时发送，通常用于中断进程。
   • SIGTERM (15): 用来请求进程正常终止。
   • SIGHUP (1): 挂起信号，通常在终端挂断时发送给与之相连的进程。
   • SIGKILL (9): 不能被忽略或阻塞，用于强制结束进程。
   • SIGSTOP (19): 停止进程，不能被捕获或忽略。

我们可以用kill -l来查看所有的信号：
这里我们来看几个比较重要的：

1. SIGHUP (1) - 挂起信号
   当终端线路挂断时发送给控制终端所属的进程组。通常用于通知进程配置文件可能已更改，需要重新加载。守护进程经常捕获此信号以实现优雅重启。
2. SIGINT (2) - 中断信号
   当用户按下Ctrl+C时产生，请求进程中断当前操作并退出。默认情况下会导致进程终止。
3. SIGQUIT (3) - 退出信号
   类似于SIGINT，但通常伴随着生成核心转储（core dump），用于调试。在终端下，通常是Ctrl+\ 发送此信号。
4. SIGKILL (9) - 强制终止信号
   不能被捕获、忽略或阻塞，用于立即结束进程。当其他手段无法终止进程时使用。
5. SIGTERM (15) - 终止信号
   一种温和的请求进程终止的信号，进程可以注册处理函数来自定义清理操作。是结束进程的首选方式。
6. SIGSEGV (11) - 段错误信号
   当进程尝试访问不允许其访问的内存段时发送，通常指示程序中的内存访问错误。
7. SIGALRM (14) - 闹钟信号
   与定时器相关联，当设定的定时器超时时发送。常用于实现定时任务或超时检测。
8. SIGCHLD (17) - 子进程状态改变信号
   父进程接收到此信号，表明其子进程已经终止或停止。用于监控子进程状态并回收资源。
9. SIGSTOP (19) - 停止信号
   强制进程停止执行。不能被忽略或被捕获，类似于暂停键，常用于调试。
10. SIGCONT (18) - 继续执行信号
    使被SIGSTOP停止的进程恢复执行。通常配合SIGSTOP使用，用于控制进程的暂停与继续。
11. SIGUSR1 和 SIGUSR2 (10, 31) - 用户自定义信号
    这两个信号留给用户自定义用途，可以用于进程间通信或触发特定的处理逻辑。

这些信号在系统编程中扮演着关键角色，理解它们有助于编写更稳定、可维护的代码，尤其是在需要处理进程间通信、异常情况或实现特定行为的场景中。

测试几个信号

我们创建一个cc文件：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;int main()
{while(true){cout << "running process ..." << endl;sleep(1);}
}

我们用g++编译，运行一下：

我们**Ctrl+C**可以终止进程：

同时，我们重新运行，另开一个窗口：

我们也可以使用信号3：
或者Ctrl + \ ：

signal函数

为了验证Ctrl + C和信号2是否是同一件事情，我们可以利用signal来验证：

在Linux中，signal()函数是一个用于处理信号的关键函数，它允许进程对操作系统发送的各种信号做出响应。信号是Linux和其他类UNIX系统中一种进程间通信（IPC）的方式，用于通知进程发生了某种事件，如用户请求终止进程、硬件故障、定时器到期等。下面是对signal()函数的基本介绍和使用方法：

函数原型

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

参数说明

• signum：要处理的信号编号，比如SIGINT、SIGTERM等。
• handler：当指定的信号发生时，系统调用的处理函数。它可以是以下几种：
• SIG_DFL（默认处理）：恢复信号的默认行为，如终止进程。
• SIG_IGN（忽略信号）：忽略此信号。
• 自定义函数：一个用户自定义的函数指针，该函数原型通常为void function(int signum)，其中signum是接收到的信号编号。

返回值

• 如果成功，signal()返回之前为该信号设置的处理函数的地址。如果之前没有设置处理函数（即使用默认处理），则返回SIG_DFL；如果之前忽略了该信号，则返回SIG_IGN。
• 在某些系统上，如果提供了无效的signum或handler不是SIG_DFL、SIG_IGN或有效的函数指针，signal()可能会失败并返回SIG_ERR。

注意事项

• signal()的行为在不同版本的POSIX标准和不同的Unix系统之间有所不同，特别是关于信号处理函数的重新安装性。某些系统遵循传统BSD语义，而另一些则遵循POSIX.1-1990或POSIX.1-2001语义。
• 对于实时信号（如SIGRTMIN到SIGRTMAX之间的信号），推荐使用sigaction()函数来代替signal()，因为它提供了更精细的控制和更一致的跨平台行为。

示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用signal()来捕获SIGINT（通常是Ctrl+C）信号，并忽略它，使得进程在接收到此信号时终止：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include <signal.h>
#include<cstdio>
using namespace std;void signal_hander(int signum)
{printf("Caught SIGINT, but ignoring...\n");exit(0);
}int main()
{signal(2,signal_hander);while(true){cout << "process running ..." << endl;sleep(1);}
}

我们重新编译一下，运行一下：

我们又用信号2来试验一下：

后台程序

大家发现没有，如果我们运行process，此时我们输入命令行是没有用的：

如果我们不想这样，我们可以把它放在后台，只要后面带一个&就行：

此时再用Ctrl + C是无法结束后台进程的：
此时，只用两种办法，第一种用信号，或者pkill + 进程名：
第二种，让后台程序回到前台：
后台程序一运行时，会有一个编号，此时fg + 编号可以让后台程序回到前台：
回到前台，就可以使用Ctrl + C。

前台转后台

快捷键Ctrl + Z可以让前台程序停止，转向后台：

命令行jobs可以看到所有的后台程序：
如果我们想开启，我们使用bg + 序号：
就可以让程序在后台运行。

检测输入

我们输入Ctrl + Z等这些组合键，操作系统识别键盘输入的过程大致如下：

1. 硬件层面：现代键盘通常通过USB或无线连接与计算机通信，以前的老式键盘可能使用PS/2接口。当用户按下键盘上的一个键时，键盘硬件会生成一个电信号，这个信号代表了特定按键的扫描码。
2. 中断请求：键盘控制器将这个信号转换成键盘中断请求，并发送给计算机的中断控制器。中断是CPU对外部事件的一种快速响应机制，它能够暂停当前正在执行的任务，转而处理紧急的外部事件。
3. 中断处理：CPU接收到中断请求后，会保存当前任务的状态（如程序计数器等），然后跳转到中断处理程序的入口地址执行。对于键盘中断，这个处理程序通常是操作系统的一部分。
4. 读取扫描码：在中断处理程序中，操作系统会读取键盘控制器中的数据寄存器，获取按键的扫描码。扫描码是一个独一无二的标识，对应于键盘上的每一个键。
5. 转换为ASCII码或虚拟键码：操作系统接着会将扫描码转换为操作系统内部可以理解的形式，如ASCII码（用于文本字符）或虚拟键码（用于功能键和特殊键）。这个过程可能涉及查表或其他映射机制。
6. 事件队列与应用程序：转换后的字符或按键信息会被封装成一个事件，并放入系统的消息队列中。等待处理的事件包括按键按下和释放等。当应用程序（如文本编辑器）调用相应的API（如Windows的 GetMessage 或 Linux 的 select/poll）检查消息队列时，操作系统会将这些事件传递给应用程序。
7. 应用程序响应：应用程序根据接收到的键盘事件执行相应的操作，比如在文本框中显示字符或响应快捷键命令。
8. 释放中断：一旦中断处理完成，操作系统会恢复之前被中断的任务状态，继续执行。

整个过程确保了用户在键盘上的输入能够迅速、准确地被操作系统捕捉并传递给正在运行的应用程序。

中断向量表

这里面还有一个中间向量表：

中断向量表是计算机系统中一个非常关键的数据结构，它存储了所有中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routines）的入口地址。这些中断服务程序负责处理各种硬件或软件触发的中断事件。以下是中断向量表的一些关键特性与作用：

1. 内存中的固定位置：中断向量表通常位于内存中的一个固定位置，使得CPU在任何时候都能迅速访问到它。在某些体系结构中，比如x86，中断向量表可能位于低地址区域，便于快速响应中断。
2. 条目结构：表中的每个条目对应一个中断类型或中断源，条目内包含的是相应中断服务程序的起始地址（或者是一个跳转指令，间接指向实际的中断处理程序）。每个条目可能占用2个、4个或更多字节，具体取决于处理器架构。
3. 中断类型号与向量地址：中断类型号是一个标识特定中断的数字。在一些系统中，中断类型号乘以某个固定值（如4）可以得到该中断向量在中断向量表中的地址，这样CPU就能根据中断类型快速定位到正确的中断处理程序。
4. 中断响应过程：当CPU检测到一个中断请求时，它会立即停止当前的任务执行，保存现场（即当前的处理器状态），然后根据中断类型号查询中断向量表，获取中断服务程序的入口地址，并跳转到该地址开始执行中断处理程序。
5. 复位与初始化：在系统启动或复位时，中断向量表的基地址会被初始化到一个预定义的位置。某些处理器（如ARM Cortex-M系列）允许通过VTOR（向量表偏移寄存器）来重新定位中断向量表的位置，以适应不同的系统配置需求。
6. 固定与动态分配：在一些简单的系统中，中断向量表可能是静态定义的，而在更复杂的系统中，部分中断向量可能支持动态分配，允许操作系统或固件在运行时安装或更改中断服务例程的地址。

中断向量表的设计和管理是确保系统能够高效、可靠地响应各种内外部事件的基础，对于维持系统的实时性和稳定性至关重要。