Linux之信号

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分类专栏： Linux 文章标签： linux 信号处理信号集类型信号操作

于 2021-09-18 17:25:46 首次发布

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一.信号的概念

1.1 认识信号

我们从两方面来认识信号：

从生活方面：

拿个生活中的例子：

你在网上买了件东西，之后只需要等待快递的到来，在这期间你会去干自己的其它事情，但是你知道你有一个快递。

在网上你买了一个东西就是信号的注册，快递员该你打电话要你拿一下快递，就是给你发送了一个信号。你收到信号之后，你知道怎么去处理这个信号，在这里就是去拿快递。但是你也不一定立马去拿，你可能会等你忙完现在的事在去处理。

在这期间你也不知道快递员什么时候会打电话给你，但是你也不是一直在等它，而是在做自己的事情，所以这就是异步的。

在这里你就是进程，操作系统就是快递员，信号就是快递。

操作系统给进程发生一个信号，进程收到信号后，知道怎么去处理这个信号。

从技术应用方面：

当我们运行一个前台进程，按下ctrl + c组合键时，进程会退出

这是因为当我们按下ctrl + c 时，产生了一个硬件中断，被操作系统获取到，然后系统发送了一个信号给前台进程。前台进程收到信号后，退出了进程。

为什么我们知道这里是一个信号？

首先介绍一个系统调用接口：

注意：

前台进程：是当前正在使用的程序，

后台进程：是在当前没有使用的但是也在运行的进程，包括那些系统隐藏或者没有打印的程序。后台进程运行时，可以其它运行前台进程。

一个bash终端只能运行一个前台进程。

ctrl + c产生的信号只能发送给前台进程，一个进程如果在后台运行，该进程收不到该信号。运行程序时最后加一个&，让进程在后台运行。

shell可以同时运行一个前台进程和多个后台进程，也就是说一个bash终端只能运行一个前台进程，但是后台可能会有多个后台进程在运行。
为什么说信号堆进程控制是异步的？因为一个进程在做自己的事情，信号不知道什么时候来，进程可能在任何时候收到信号而终止，所以是异步的。异步的意思是，不知道什么时候会发送信号。

1.2信号的概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

信号就是一个消息，告诉进程一个事件，进程受到信号之后会知道怎么处理这个信号。

1.3 查看系统定义的信号

1~31为普通信号，34~64为实时信号。

每一个信号都有一个编号和一个宏定义名称。

1.4 信号的处理方式

忽略信号。忽略信号也是处理了信号
执行信号的默认处理动作
利用signal系统调用，提供一个信号处理函数，要求在内核处理该信号时切换到用户态执行这个函数，这种方式称为捕捉一个信号。就像上面的代码，将2号信号捕捉为一个handler函数。

注意：signal是修改了当前进程对信号的处理方式，等收到改变的信号时，直接实行自定义的函数

系统为了安全，9号信号不能被捕捉。

二.产生信号

2.1 通过终端按键来产生信号

比如上面的ctrl + c 就给进程发送了2号信号SIGINT。而ctrl + \可以给进程发送3号信号SIGQUIT。

通过按键组合的方式来给进程发送信号。

2.2 通过系统函数来向进程发送信号

kill 系统调用，作用：给当进程为pid的进程发送信号

kil命令是通过系统调用kill实现的。

这里补充一个知识点：强制类型转化和转化

强制类型转化并没有真正改变数据的值，在内存种原来怎么保存就怎么保存。

转化会将数据的值改变。

上面要将char * 类型转化成int类型，不是强制类型转化。

raise函数：作用：给当前进程发送信号

abort函数，作用：使当前进程收到6号信号，后异常终止。

注意：abort函数一定会成功终止进程。不管有没有重新捕捉信号。

2.3 由软件条件产生信号

在匿名管道中，当读进程关闭时，写进程会收到系统发来的13号信号，终止写进程。系统发给写进程的13号信号就是软件条件生成的信号。

这里也有一个函数alarm，相当于设置一个闹钟，告诉内核多少秒后，发送一个SIGALRM信号给当前进程。

这里有一个现象：

同样将count++，1秒后发送SIGALARM信号给进程，同样时间：上面count才加到21095，下面加到了491153364，差了1000倍。

这是因为上面的代码要不断往屏幕打印，屏幕是外设，在不断进行I/O，时间消耗多。

进程有很多，可能alarm闹钟也会有很多，OS需要管理闹钟(才能知道哪个alarm是哪个进程，什么时候去发送信号等)。

OS管理闹钟需要先描述后组织，所以会有对应的数据结构来描述和组织闹钟。

2.4 硬件异常产生信号

硬件异常产生信号就是硬件发现进程的某种异常，而硬件是被操作系统管理。硬件会将异常通知给系统，系统就会向当前进程发送适当的信号。

例如：野指针的情况

原因：由于p是野指针，p指针变量里保存的是随机值，进程执行到野指针这一行。进程在页表中找映射的物理内存时，硬件mmu会发现该虚拟地址是一个野指针，会产生异常，由于操作系统管理硬件，硬件会将异常发送给系统。系统会发送适当的信号给当前进程。

这里有个现象：

上面代码有野指针，系统会发送11号信号给进程。但是在循环里面并没有野指针，但是发现一直在打印，说明系统一直在往进程发送11号信号，这是因为硬件异常并没有消除。

只能向进程发送终止信号，终止进程才能结束。

所以在语言层面，出现的异常，大多数都是硬件异常，导致OS发送信号，来终止进程。

2.5 总结

信号是由OS发出来的，上面的四种产生情况，是操作系统发出信号的触发条件。

上面所有信号的产生都会需要操作系统的参与，为什么？

因为操作系统是进程的管理者，只有操作系统能管理进程。

信号处理是什么时候被处理的？

在合适的时候处理，并不是信号来了就处理。所以需要记录下来。

OS怎么向进程发送信号？

普通信号有31个，进程PCB中有一个数据结构，是位图(只需要一个整数即可)。来记录当前进程是否收到对应位置的信号，OS向进程发送信号时，将对应位置置1即可。

实时信号是由链表构成的，一个时间可以收到多个信号，不会丢失。

补充一个概念：

Core Dump：

什么是Core Dump？当一个进程异常终止时，在异常终止前，会把进程用户空间的内存数据全部保存到硬盘上。文件名通常较core + 进程pid。

事后调试：进程异常终止时因为由bug，出现异常后可以使用调试器gdb检查core文件来了解错误原因。

云服务器默认不允许产生core文件，因为core文件由大小，大小限制可以自己设置。如果一个进程总是挂掉，导致core文件很多，占用空间。可以通过ulimit -c 设置core 文件大小。

gdb + 要调试的可执行程序

core file + core文件就可以查看错误信息。

在waitpid中第二个参数接收进程返回状态，其中第8位为core dump，0为不需要core dump，1为需要core dump

三.信号记录和信号处理

3.1 名词概念

实际执行信号的处理动作叫信号递达
信号从产生到递达之间的状态叫信号未决
一个进程可以自己选择阻塞某个信号
被阻塞的信号，产生号就保持在未决状态，直到进程解除阻塞，才会进行递达操作。
注意：阻塞和忽略信号不同，阻塞信号，信号处于未决状态，并不是递达信号。忽略，是在递达信号。

3.2 在内核中信号在内存中的表示

示意图：

源代码：

3.3 信号记录

信号记录就是将进程收到的信号，在位图(阻塞位图和未决位图)对应的位置进行置1。

由于进程PCB中有对应数据结构，保证了记录操作的实施。

3.4 信号处理

处理信号，就是进程收到信号，当进程对该信号不阻塞时，会在handle函数指针数组中找到对应的递达方法，来处理当前信号。

注意：当进程收到某信号，并不是立马进行处理的，而是等到合适的时机才进行处理。

处理信号有三种方法：

1.使用默认方法

2.忽略此信号

3.自定义捕捉

由于是由默认方法和忽略信号，就是在handle数组对应信号数组中填入SIG_DEL和SIG_IGN。很好理解，下面来说明一下自定义捕捉信号。

3.4.1 捕捉信号

如果信号处理动作是用户自定义的函数，在信号递达时，就是调用的这个函数，这被称作捕捉信号。

进程收到信号不是立马处理信号，是在合适的时候处理信号的，合适的时候是当计算机从内核态切换成用户态时，检测并处理信号。

这里简单了解一下计算机的用户态和内核态。

计算机在运行程序时，会有两种状态，用户态和内核态。

当程序运行的是用户自己编写的代码，并没有涉及中断，异常会在系统调用时，计算机会处于用户态。

当程序运行到中断，异常或者系统调用时，计算机会处于内核态。内核态就相当于是操作系统。

但一个程序在运行时，可能在不断进行内核态和用户态的切换。

内核态的权限比用户态高。

计算机中怎么能实现用户态和内核态的互相切换？

因为在虚拟地址空间有两个区域，一个是用户区，一个是内核区。其中，用户区映射的是当计算机处于用户态时，要执行的代码和数据。内核区映射的是计算机处于内核态时，要执行的代码和数据。

当计算机处于用户态时，在虚拟地址空间的用户区，通过用户级页表，找到代码和数据执行。

当计算机处于内核态时，在虚拟地址空间的内核区，通过内核级页表，找到代码和数据执行。注意内核级页表每个进程是相同的，因为只有一个操作系统，每个进程虚拟地址空间内核区页表映射在物理内存同一位置。

怎么知道计算机现在处于用户态还行内核态？

在CPU中有一个寄存器CR0，里面有标志位记录了计算机处于内核态还是用户态。

信号捕捉示意图：

我们发现当我们自定义信号处理函数，会发生4次内核态和用户态相互转化的过程。如果没有自定义信号处理函数，只有2次用户态相互转化。

进程收到信号不是立马处理信号，而是在当计算机从内核态切换成用户态时，检测并处理信号。

内核态权限比用户态高，为什么执行自定义信号处理函数还需要从内核态切换到用户态？

就是因为内核态权限高，如果自定义信号处理函数中有非法动作，比如修改操作系统，在内核态能处理，但是用户态不能处理，这样会导致安全隐患。毕竟自定义信号处理函数是用户写的。

如果不断受到一个信号，该信号处理动作为自定义的，而自定义函数中有系统调用，执行系统调用，会要从用户态切换到内核态，当从内核态切换到用户态时，又受到同样等信号，需要处理吗？在处理信号时，有内核态到用户态的情况，在这过程中有收到相同信号，需要处理吗？

不会执行，操作系统在执行该信号时，会将进程block位图中信号位置设为1，阻塞该信号。一种信号只能同时处理一个，但是可以同时处理多种信号。

四.信号集操作函数

4.1 sigset_t 类型

进程PCB中有两个位图，分别是block(阻塞位图)和pending(未决位图)。每个位置只有0和1两种状态，可以通过sigset_t类型定义的变量来存储阻塞位图和未决位图的位的信息，再通过其它系统调用来向阻塞位图或者未决位图赋值。

sigset_t就是信号集。

虽然sigset_t定义的变量的存储位图的位信息，但是我们不能使用位运算来修改sigset_t定义的变量。要通过函数，因为在不同平台下，sigset_t定义的变量并不是一个整数。

查看源码：

4.2信号集操作函数

再使用sigset_t变量前，由先调用sigemptyset或者 sigfillset函数，初始化变量。
上面4个的返回值都是成功返回1，失败返回0，sigismumber存在返回1，不存在返回0，失败返回-1。

五.修改进程阻塞位图和获取进程未决位图

5.1 修改阻塞位图系统调用

oldset为输出型参数，返回未修改前的阻塞位图信息。

5.2 获取未决位图信息

六.自定义捕捉函数

上面有介绍一个

这里再介绍一个：功能一样，只是参数不同

sa_mask，之前有说到过当在处理一个信号的自定义函数时，这个信号会被系统阻塞，直到处理完。如果还想阻塞其它的信号，可以设置sa_mask。
sigaction多用于实时信号。

编写代码使用上面的函数：

  1 #include <stdio.h>                                                                                                                                       
  2 #include <unistd.h>
  3 #include <signal.h>
  4 //打印未决信号
  5 void ShowBlock(sigset_t pending){
  6   int i=0;
  7   for(i=1; i<=31; i++){
  8     //信号存在打印1
  9     if(sigismember(&pending,i)){
 10       printf("1");
 11     }
 12     //不存在打印0
 13     else{
 14       printf("0");
 15     }
 16   }
 17   printf("\n");
 18 
 19 }
 20 void handle(int signo){
 21   printf("i am signal %d\n",signo);
 22 }
 23 
 24 int main(){
 25   //
 26   struct sigaction act;
 27   struct sigaction oact;
 28   act.sa_flags=0;
 29   sigemptyset(&act.sa_mask);
 30   //自定义处理函数
 31   act.sa_handler=handle;
 32   //替换2号信号的处理函数
 33   sigaction(2,&act,&oact);
 34 
 35 
 36   sigset_t pending;
 37   sigset_t block;
 38   sigset_t oblock;//旧阻塞位图
 39   sigemptyset(&block);
 40   sigemptyset(&oblock);
 41   sigaddset(&block,2);
 42   sigprocmask(SIG_SETMASK, &block, &oblock);//将2号信号阻塞
 43   int count=0;
 44   while(1){
 45     //必须将信号阻塞才能看到未决，不然就递达了。
 46     sigemptyset(&pending);
 47     sigpending(&pending);//获取未决信号
 48     ShowBlock(pending);
 49     sleep(1);
 50     count++;
 51     //10秒后还原阻塞位图
 52     if(count==10){
 53       //将阻塞信号还原
 54       sigprocmask(SIG_SETMASK, &oblock, &block);
 55     }
 56   }
 57 
 58   return 0;
 59 }