linux进程信号

一、信号入门

1.1 生活角度的信号

• 你在网上买了很多件商品，再等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时，你该怎么处理快递。也就是你能“识别快递”。
• 当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是你正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取”。
• 在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你“记住了有一个快递要去取”。
• 当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）2. 执行自定义动作（快递是零食，你要送给你你的女朋友）3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔掉床头，继续开一把游戏）。
• 快递到来的整个过程，对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话。

1.2 技术应用角度的信号

用户输入kill -l 可以查看所有信号


简单认识信号

信号接收函数：

接收信号的一个简单例子：

捕捉2号信号

输出结果：

二、信号发送前

2.1 通过键盘产生信号

实例代码：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
void hander(int signo)
{
    printf("get a signal: signal no: %d, pid:%d\n",signo,getpid());
}
int main()
{
    for(int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        signal(i, hander);
    }
    while(1)
    {
        printf("hello world!,pid:%d\n\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

输出结果：

通过以上可以得出：

以上代码可以通过9号信号中断，因为9号信号不可被捕捉（自定义）！

2.2 通过进程异常产生信号

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

using namespace std;
void hander(int signo)
{
    switch(signo)
    {
        case 2:
            printf("get a signal: signal no: %d\n",signo);
            break;
        case 3:
            printf("get a signal: signal no: %d\n",signo);
            break;
        case 20:
            printf("get a signal: signal no: %d\n",signo);
            break;
        default:
            cout << "hello signo:" << signo << endl;
            break;
    }
    exit(1);
}
int main()
{
    for(int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        signal(i, hander);
    }
    while(1)
    {
        int *p = nullptr;
        *p = 100;//野指针问题
        printf("hello world!,pid:%d\n\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

下面这个代码我们不进行捕捉信号，可以发现出现了进程的崩溃。

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

using namespace std;
void hander(int signo)
{
    switch(signo)
    {
        case 2:
            printf("get a signal: signal no: %d\n",signo);
            break;
        case 3:
            printf("get a signal: signal no: %d\n",signo);
            break;
        case 20:
            printf("get a signal: signal no: %d\n",signo);
            break;
        default:
            cout << "hello signo:" << signo << endl;
            break;
    }
    exit(1);
}
int main()
{
    while(1)
    {
        int *p = nullptr;
        *p = 100;
        printf("hello world!,pid:%d\n\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

通过以上代码我们可以知道，代码出现了野指针的错误，也就是段错误，所以我们捕捉到了11号信号。由此可以得到进程崩溃的本质就是进程收到了对应的信号，然后进程执行信号的默认处理动作是杀死进程。

这里我们又有一个问题？我们为什么会收到信号呢？

通过以上图，可以知道，你的进程错误可能会引起软硬件问题，被操作系统甄别到了，然后操作系统就会给相应进程发送信号，然后终止进程。进而可以得到信号产生的方式，程序中存在异常问题，导致我们收到信号退出。

通过core dump标志可以直接找出你的代码在那行崩溃。以下可以得知。


通过以上可以得到，通过core dump标志位可以记录你的程序是在哪个位置崩溃的，并且可以通过gdb调试，直接找到代码崩溃的位置，之中方法叫做事后调试。

进程如果异常的时候，被core dump ，core dump的标志位会被设置为1（注意不是所有的信号都有core dump 标志）。

2.3 通过系统调用产生信号

实例代码：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

static void Usage(const char* proc)
{
    cout << "Usage: " << proc << " signo who"  << endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }

    int signo = atoi(argv[1]);
    int who = atoi(argv[2]);

    
    kill(who, signo);//给别人发信号
    cout << "signo: " << signo << " who: " << who << endl;
}

输出结果测试：

int kill(pid_t pid, int signo);//给别人发信号
int raise(int signo);//给自己发信号
这两个函数都是成功返回0,错误返回-1。

void abort(void);//给自己发一个明确的信号（SIGABRT，6号信号）
这个函数没有返回值

2.4 软件条件产生信号

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号（13号信号）, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。

使用alarm函数设计一个计时器

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

//统计一下count在1s内递增到多少
int count = 0;
int main()
{
    alarm(1);//没有设置alarm信号的捕捉动作（没有自定义），执行默认动作，终止进程
    while(1)
    {
        cout << "hello: " << count++ << endl;
    }
}

结果：

总结：

产生信号的方式，本质是OS发送的。

core dump && waitpid-> core dump 标志位（次低八位是进程退出的退出码，低七位是进程退出时收到的退出信号，第八个比特位是core dump 标志位）

信号发送之后，不是被立即处理的，而是在合适的时候

• 进程就需要有保存信号的能力
• “合适”： 是什么时候

2.5 OS给进程发送信号的进一步理解

三、信号发送中

3.1 信号其他相关常见概念

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
  • 自定义捕捉
  • 默认
  • 忽略
• 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。（本质是这个信号被暂存在task_struct 信号位图中，未决）
• 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。（本质是OS，允许进程暂时屏蔽指定的信号）
  1. 该信号依旧是未决的
  2. 该信号不会被抵达，知道解除阻塞！方可抵达。
• 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。

3.2 信号在内核中的表示

• 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
• SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
• SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。

3.3 sigset_t

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。

3.4 信号集操作函数

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,使用者只能调用以下函数来操作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。

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);

• 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号。
• 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置位,表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
• 注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
• sigismember是一个布尔函数,用于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。

这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。

3.5 sigprocmask

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).修改的是进程的block位图。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
//返回值:若成功则为0,若出错则为-1

注意：set是输入型参数。oset是输出型参数，返回老的屏蔽字 – block位图。

如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值。

how参数的可选值	该值的作用
SIGBLOCK	set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask=mask
SIG_UNBLOCK	set包含了我们希望cong1当前信号屏蔽字中接触屏蔽字的信号，相当于mask=mask&~set
SIG_SETMASK	设置当前屏蔽字为set所指向的值，相当于mask=set

如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,至少将其中一个信号递达。

举例：

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

using namespace std;

int main()
{
    //虽然sigset_t 是一个位图结构，但是不同的OS实现是不一样的，不能让用户直接修改该变量
    //需要使用特定的函数

    //set是一个变量，该变量和int一样，都是在用户栈上

    //设置信号屏蔽字
    sigset_t iset, oset;

    //初始化信号屏蔽字
    sigemptyset(&iset);
    sigemptyset(&oset);

    //添加信号屏蔽字,屏蔽2号信号
    sigaddset(&iset, 2);

    //获取当前进程老的屏蔽字
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &iset, &oset);

    while(1)
    {
        cout << "hello world!" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

输出结果：

3.6 sigpending

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
//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。

sigpending函数不对pending位图做修改，而只是单纯的获取进程的pending位图。pending位图由OS修改。

做一个小实验，获取当前进程的pending位图

实验思路：

实验代码1：

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

using namespace std;

void show_pending(sigset_t* set)
{
    for(int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        if(sigismember(set, i))
        {
            cout << "1" ;
        }
        cout << "0";
    }
    cout << endl << endl;
}

int main()
{
    //虽然sigset_t 是一个位图结构，但是不同的OS实现是不一样的，不能让用户直接修改该变量
    //需要使用特定的函数

    //set是一个变量，该变量和int一样，都是在用户栈上

    //设置信号屏蔽字
    sigset_t iset, oset;

    //初始化信号屏蔽字
    sigemptyset(&iset);
    sigemptyset(&oset);

    //添加信号屏蔽字,屏蔽2号信号
    sigaddset(&iset, 2);

    //获取当前进程老的屏蔽字
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &iset, &oset);

    sigset_t pending;
    while(1)
    {
        sigemptyset(&pending);
        sigpending(&pending);
        show_pending(&pending);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

输出结果1：

实验代码2：

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

using namespace std;

void show_pending(sigset_t* set)
{
    for(int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        if(sigismember(set, i))
        {
            cout << "1" ;
        }
        cout << "0";
    }
    cout << endl << endl;
}

void handler(int signo)
{
    cout << signo << "号信号被抵达，已经处理完成。" << endl;
}

int main()
{
    //虽然sigset_t 是一个位图结构，但是不同的OS实现是不一样的，不能让用户直接修改该变量
    //需要使用特定的函数

    //set是一个变量，该变量和int一样，都是在用户栈上

    signal(2, handler);
    //设置信号屏蔽字
    sigset_t iset, oset;

    //初始化信号屏蔽字
    sigemptyset(&iset);
    sigemptyset(&oset);

    //添加信号屏蔽字,屏蔽2号信号
    sigaddset(&iset, 2);

    //获取当前进程老的屏蔽字
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &iset, &oset);

    int count = 0;
    sigset_t pending;
    while(1)
    {
        sigemptyset(&pending);
        sigpending(&pending);
        show_pending(&pending);
        sleep(1);

        count++;
        if(count == 10)
        {
            //对二号信号就行恢复。
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
            cout << "恢复2号信号，可以被抵达了" << endl;
        }
    }
    return 0;
}

输出结果2：

四、信号发送后

信号发送之后是在合适的时候处理。
“合适”是什么时候？
为什么是“合适”的时候：
信号的产生是异步的，当前可能在做更重要的事。

信号延时处理（取决于OS和进程）
什么是“合适”的时候。

4.1 信号什么时候被处理

1. 感性的认识

因为信号是被保存在进程的PCB中，pending位图里面，处理（检测，递达（默认，忽略，自定义））
当进程从 内核态 返回到 用户态 的时候，进行上面的检测并处理工作。
（重要）

内核态：执行OS代码和数据时，计算机所处的状态就叫做内核态。OS代码的执行全部都是在内核态。

用户态：就是用户代码和数据被访问或者执行的时候，所处的状态。我们自己写的代码全部都是在用户态执行的！

主要区别：在于权限

2. 理性的认识

通过上图，我们可以知道，用户态和内核态的区别和他们的结构，和他们是如何进行切换的。而且内核页表是被所有进程共享的。只有一个系统级页表。

3. OS信号处理全过程

通过上面两张图可以得知系统接收信号到发送信号的一个全过程，大概过程是进程在执行某条指令时因为中断、异常或系统调用时，用户态会转换到内核态，系统通过系统检测，如果进行的是默认或者是忽略的检测，那么内核态就会直接转换位用户态，把信号发送给进程。如果进行的是自定义捕捉的检测，那么内核态就会转换为用户态，通过用户态来进行调用handler函数来进行自定义捕捉，捕捉过后，用户态就需要切换为内核态，调用sys_sigreturn()系统调用返回函数，返回到用户态。

4.2 sigaction

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

使用举例：

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

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << endl;
}
int main()
{
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_handler = handler;

    //本质是修改当前进程的handler函数指针数组特定内容
    sigaction(2, &act, nullptr);
    while(1)
    {
        cout << "hello world" << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

输出结果：

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。 sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数。

以上输出结果可以证明，2号3号信号都被屏蔽了。

五、可重入函数

可重入函数：可以由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误。
不可重入函数：不能由超过一个任务所共享，除非能确保函数的互斥 （或者使用信号量，或者在代码的关键部分禁用中断）

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

六、volatile

实例代码：

#include<iostream>
#include<signal.h>

using namespace std;


volatile int flag = 1;

void handler(int signo)
{
    flag = 0;
    cout << "change flag 0 to 1" << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    while(flag);
    cout << "这个进程是正常退出的" << endl;
    return 0;
}

输出结果：

由上代码可知，volatile关键字的作用就是防止系统优化flag.优化的意思就是只做检测不做修改，意思就是，直接把flag优化到CPU上面，把内存上的flag屏蔽掉了。

七、SIGCHLD信号

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。
请编写一个程序完成以下功能:父进程fork出子进程,子进程调用exit(0)终止,父进程自定 义SIGCHLD信号的处理函数,在其中调用wait获得子进程的退出状态并打印。
实例代码：

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

void GetChild(int signo)
{
    //pid_t id = getpid();
    //waitpid(id, nullptr,0);
    cout << "get a signal: " << signo << " pid: " << id << endl;
}

int main()
{
    pid_t id = fork();
    signal(SIGCHLD, GetChild);
    
    if(id == 0)
    {
        //child
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            cout << "我是子进程" << endl;
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(0);
    }

    while(1);
    return 0;
}

输出结果：

事实上,由于UNIX 的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不 会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略 通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证在其它UNIX系统上都可 用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程.
实例代码：

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

void GetChild(int signo)
{
    // pid_t id;
    // while( (id = waitpid(-1, NULL, WNOHANG（非阻塞）)) > 0)
    // {
    //     printf("wait child success: %d\n", id);
    // }
    cout << "get a signal: " << signo << " pid: " << getpid() << endl;
}

int main()
{
    pid_t id = fork();
    //signal(SIGCHLD, GetChild);
    //不是所有的场景需要我们等待
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);//显示设置忽略17号信号，当进程退出时
                             //自动释放僵尸进程（只在linux下有效）
    
    if(id == 0)
    {
        //child
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            cout << "我是子进程" << endl;
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(0);
    }

    while(1);
    return 0;
}

输出结果：

由上可知，进程结束时，没有出现僵尸状态，可见忽略SIGCHLD信号后，自动释放了僵尸进程。而且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。