Linux系统编程 | 信号的基本概念与产生

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本文重点：

1. 掌握Linux信号的基本概念。
2. 掌握信号产⽣的⼀般⽅式。

2. 信号的基本概念

2.1什么是Linux信号？

信号本质是一种通知机制，用户或操作系统可通过发送信号通知进程某些事件已发生，让进程后续进行处理。
信号的产生，相对于进程的进行，是异步的。

我们可以通过生活中的信号进行类比理解。

生活中的信号，是闹钟，将人从睡眠状态唤醒；
是快递到站通知，通知你去快递站取快递；
是敲门声，通知你开门…
一言概之，信号中断人正在做的事情。

什么是同步？什么是异步？

同步：就像一群人排队依次通过安检，每个人都要等前面的人完成安检后才能前进，大家的行动是依次进行、相互等待的，这就是同步，在这个过程中每个环节是按顺序紧密相连的。

异步：比如你在网上下单买东西，下单后你不用一直等着商家立刻发货，你可以去做其他事情，商家会在合适的时候发货，你和商家的操作不是同时进行、相互等待的，这就是异步，各自的操作有一定的独立性和自主性。

换言之，信号产生后，并不需要立即处理，而是可以等一会儿在合适的时候进行处理。

基本结论：
1.进程在信号没有产生的时候，早已经知道信号如何处理了。因为进程中已经内置了对于信号的识别和处理方式。
2.信号的产生是随机的，收到信号时，此进程可能正在忙于其他事情。因此，信号的处理，不是立即处理，而是可以等一会儿在合适的时候进行处理。
3.既然信号不是立刻就处理的，那么一定存在某种结构来短暂保持收到的信号。

2.2查看信号列表

使用kill -l命令查看信号列表。

在 Linux 中，信号可分为普通信号（1 - 31 号）和实时信号（34 - 64 号），普通信号不支持排队，当多个相同的普通信号发送给一个进程时，进程可能只会处理一次。实时信号支持排队，意味着如果有多个相同的实时信号发送给一个进程，进程会按照信号发送的顺序依次处理每个信号，不会丢失。本文主要介绍普通信号。

对于信号的理解可以分为：信号的产生，保存以及处理。

而本篇文章讲解的则是信号的产生，信号的产生一共有四种方式：

• 终端按键产生信号。
• 使用系统调用产生信号。
• 调用系统命令kill。
• 硬件异常产生信号

3. 信号产生的方式概述

方式一：终端按键

例如使用CTRL+c或CTRL_/的方式产生信号

CTRL+c产生的是2号信号，也就是SIGINT信号

CTRL+/产生3号信号，也就是SIGQUIT。

使用man 7 singal查看信号描述。

Term代表终止这个进程，因此CTRL+c可以终止进程。

注意信号SIGKILL无法被自定义调用！（自定义调用将在下篇文章进行详细讲解）

前台进程和后台进程

有一个现象很值得关注，相同一条命令，使用
CTRL+C可以终止进程，但如果在该命令后面加上&后，这个进程就不能终止了。

想要解释这一现象，需要先了解前台进程和后台进程这两个概念。

前台进程

• 定义：

  • 前台进程是在终端中与用户直接交互的进程。

  • 它会占据终端的输入输出，用户输入的指令会直接被它接收并处理，处理结果也会实时显示在终端上。

  • 只有当前台进程执行完毕或被暂停等操作后，用户才能在终端进行其他交互操作。

• 特点

  • 在运行期间，终端被其独占，无法同时与其他进程交互。

  • 在资源分配上，通常会优先获得系统的响应，以保证交互的流畅性。

后台进程

• 定义：
  • 后台进程是在系统后台运行的进程。
  • 它不与用户进行直接的交互，在启动后会在后台默默执行任务，不会占据终端的输入输出，用户可以在不影响其他操作的情况下让其在系统中持续运行。
• 特点
  • 非交互性：在后台独立运行，不需要用户实时干预和操作。
  • 终端无关：不依赖于终端，即使终端关闭，某些后台进程也可能继续运行。
  • 稳定性要求高：通常用于执行一些需要长期稳定运行的任务，如系统服务等。

如何管理前后台进程

将前台进程放到后台：

使用 Ctrl+Z 暂停前台进程，然后使用 bg 命令将其放到后台继续运行。

例如：

sleep 50  # 启动一个前台进程
^Z         # 暂停前台进程
bg         # 将暂停的进程放到后台继续运行

将后台进程放到前台：

使用 fg 命令将后台进程放到前台。

例如：

sleep 100 &  # 启动一个后台进程
jobs         # 查看当前终端中的所有作业
fg %1        # 将作业编号为1的后台进程放到前台

查看当前的前后台进程：

使用 jobs 命令查看当前终端中的所有作业。

使用 ps 命令查看系统中的所有进程。

因此，命令加上&后，对应的进程成为了后台进程。而通过键盘发送信号只针对于前台进程，对后台进程无效。

方式二：系统调用

在函数中调用kill，raise，abort等函数也能产生信号。

• kill是向指定进程发送指定的信号。
  

• raise是向自己发送指定的信号。
  

• abort是终止当前进程（发送6号信号）。
  

方式三：调用系统命令kill

kill -9 [pid]

方式四：硬件异常

例如除0错误，野指针都是由于硬件异常而产生的信号，从而导致进程被终止。

所有的信号都有它的来源，但最终全部都被操作系统识别，解释，并且发送给进程。

4. 信号的保存

上面说到，信号被进程接收到后不会立马处理，那么就要存在一个结构来保存信号，而这个结构就是位图。

信号有1~31号信号，那么只需要31个bit位即可保存完所有的信号，x号bit位中的0/1代表是否收到第x号信号，而这个位图结构是每个进程独有的，所以它很明显在进程的PCB中保存。

信号发送的本质：操作系统向目标进程发送信号，也就是操作系统直接修改PCB中指定的位图结构，修改完成后即为成功发送信号。