Linux进程信号的产生、保存、处理

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已于 2024-10-31 09:38:54 修改

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是小宇吖~

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#linux #运维 #服务器 #异常 #信号

于 2024-07-10 05:45:00 首次发布

Linux进程信号的产生、保存、处理

一、信号的概念
二、信号的产生
三、Core Dump核心转储
四、信号保存和信号集
五、信号捕捉处理
六、可重入函数
- 6.1 不可重入函数实例
- 6.2 可重入函数、不可重入函数
七、volatile关键字
八、SIGCHLD信号

一、信号的概念

信号是一种向目标进程发送消息，异步通知的一种机制，属于软中断。本质上是用软件来模拟中断行为！

信号在产生之前，操作系统就已经内置了所有信号的识别和处理方式。（通过宏定义出得数字编号识别信号种类；在内核中存在一张handler表，即信号处理函数表。该表的数组下标对应信号编号，数组中存放的内容指向对应信号的处理方式）

并且信号产生时，操作系统可能在做更重要的事情，也就意味着信号产生之后不会被立即处理，需要被保存。在Linux中，每一个进程PCB中存在一张位图用来保存信号。位图中比特位的位置表示信号种类，比特位内容表示信号的有无！

进程是无法得知信号何时来的，也就意味着信号的到来和进程执行是异步的。

同理，在操作系统中已经提前内置了信号信息。我们通过kill -l查看：

在这里插入图片描述

每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到。其中 1~31为普通信号，43~64为实时信号（不关心），没有32、33号信号！这些信号各自在什么条件下产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal。

二、信号的产生

在Linux中，信号的产生方式分为四大类：键盘终端产生、系统调用产生、硬件异常产生、软件条件产生！

2.1 键盘终端产生

1）、终端信号产生过程

我们在终端输入诸如ctrl c、ctrl z、ctrl\等指令，我们发现可以将进程终止退出，或者暂停。当我们输入这些指令后，对应硬件会向CPU发送光电信号通知CPU。此时CPU会将这些光电信号转化为中断号，在中断向量表中找到对应硬件的读取方法，将硬件数据读取到内存中。

当操作系统识别到这些特殊数据后，不会将数据拷贝给目标进程。而是转化为向目标进程发送信号，从而将目标进程退出或暂停等行为！

2）、操作系统得知硬件数据就绪手段

硬件和进程之间通常会伴随着数据拷贝。比如我们在终端输入指令信息，最后是需要将数据拷贝到内存中，然后看情况是否需要拷贝给目标进程的。当我们输入完指令回车确认后，意味着键盘资源就绪，等待操作系统将数据读走。但操作系统如何的知硬件资源就绪？？

操作系统监测硬件资源就绪，有两种方式：

①：操作系统定期轮询检测所有硬件，判断那些硬件数据就绪。但这非常不现实，如何评判设定轮询间隔时间？时间太长，系统整体效率降低；时间太短会导致CPU疯狂进程监测，减少进程调度次数，进而影响程序性能！
②：另一种方式就是硬件就绪后，让硬件主动通知操作系统！

首先CPU周围会存在很多针脚，这些针脚对应唯一的一个编号，每一个针脚对应一个唯一硬件。当硬件资源就绪之后，硬件会向CPU发送光电信号。此时CPU检测到光电信号后，会将收到的光电信号转化为对应针脚的编号，并将该数字保存到寄存器中，我们也将这些编号称为中断号。

当OS识别到该寄存器中存在数据时，操作系统就知道存在硬件已经硬件资源就绪了，OS会立马停下手中的所有工作，将对应硬件中的数据加载到CPU中，完成数据的加载。

为了进一步提高读取硬件数据的效率，操作系统中存在一张函数指针数组，该数组中下标位置对应中断号种类，数组中保存了对应硬件的读取方法！我们将该函数指针数组称为中断向量表，该表会在操作系统初始化时生成！此时操作系统通过中断号即可索引到对应硬件的读取方法，快速将硬件数据读取到内存！！

当然CPU的针脚是有限的，硬件也不是直接和CPU链接。在CPU和硬件之间通信需要经过主板，而主板存在一定的扩展能力。并且并不是所有的硬件都有发送中断能力！
在这里插入图片描述

3)、实例：前台进程、后台进程

下面我们创建一个process.cc源文件，让其死循环输出信息。

#include <iostream>
#include <unistd.h>

int main()
{
   
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
   
        std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们编译运行后，产生一个前台进程。我们可以在终端输入ctrl c发送2号信号来终止前台进程！

请添加图片描述
我们在键盘上按下ctrl c后，会产生硬件中断。操作系统会识别到硬件数据就绪，此时操作系统读键盘上的数据，发送给目标进程。前台进程因为收到2号信号，进而引起信号退出！！

我们也可以通过ctrl z发送20号信号暂停前台进程！但由于前台进程不能被暂停，否则键盘将失效。此时当前被暂停的前台进程后转化为后台进程。shell外壳进程快速从后台切换为前台进程。

下面我们将前台进程输入重定向到log.txt，死循环打印消息。然后ctrl z发送20号信号，此时前台进程会变为后台进程。具体效果如下：

请添加图片描述

我们发现ctrl z向目标进程发送20号信号后，前台进程变为后台进程，并且被暂停！

jobs指令可以查看当前系统中的后台进程。
bg 指令+ 后台进程编号可以重新启动后台进程。fg 指令+ 后台进程编号可以将后台进程提到前台，变为前台进程！
前台进程只能有一个（键盘只有一个），后台进程可以有多个。两者本质区别在于前台进程可以接收用户输入，后台不行。shell进程比较特殊，不会被ctrl c杀掉。并且根据具体情况，Os会自动将shell提到前台或后台！！

4）、验证终端按键是否产生信号

上述我们通过终端按键让进程产生一系列行为。当ctrl c真的向目标进程发送了2号信号吗？ctrl z真的向目标进程发送了20号信号吗？我们需要进一步验证！

操作系统提供了一个signal系统调用即可，可以自定义捕捉信号。

 #include <signal.h>
 
 //函数原型如下，signal()第二个参数用于自定义捕捉信号
 typedef void (*sighandler_t)(int);
 sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

下面我们以自定义捕捉2号信号，分别通过终端ctrl c和用户主动发送2号信号，对比进程行为！！

【源代码如下】：自定义捕捉2号信号，让进程受到2号信号退出时，打印一段消息！！

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

void handler(int signo)
{
   
    std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl;
    exit(0);
}

int main()
{
   
    std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl;