【Linux】进程信号的发生

叫我龙翔

发布于 2024-06-17 09:16:42

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发布于 2024-06-17 09:16:42

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习

1 何为信号

生活中信号随处可见，我们的生活离不开信号。就比如过红路灯，看见绿灯亮的信号，我们就可以过马路了；听见闹钟响了，我们知道时间到了；看见别人脸色不好，我们就知道他有心事…所以信号在生活中随时可以产生（与我们的动作是异步的）：

我们可能认识这个信号，知道这个信号如何处理。
但是当信号产生时，我们可能在做着其他事情，会把信号暂时不做处理。
暂不处理就要求我们记得这个信号，并确定什么时候处理。

对此，如果把上面的“我们”换成“进程”，就是进程中的信号了！我们可以看看在Linux系统下的信号：

信号时从 1 - 64 的数字对应信号（32 - 64 是实时信号，暂不考虑）

信号的生命周期可以划分为：预备 -> 产生 -> 保存 -> 处理 。我们把这个过程研究明白就可以了

2 信号概念的基础储备

信号是Linux系统通过的一种向目标进程发送指定事件的方式。要做识别和处理。

信号产生时异步的：对于一个进程不知道什么时候会收到信号，他只能先做自己的事情，信号产生时也不知道进程在干什么，所以是异步的！！！

先说明一个概念信号处理有三种（只能三选一）：

默认动作 — 进程处理信号都是默认的，通常是终止自己（term ， core），暂停，忽略…

忽略动作
自定义动作 — 信号的捕捉 : signal(int signum, sighandler_t handler) ，该函数可以捕捉signum信号，并执行自定义的handler函数

接下来我们来看看signal函数的使用：对信号的自定义捕捉，只需捕捉一次，后续就一直有效！！！

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

void handler(int sig)
{
    std::cout << "get sig:" << sig << std::endl;
}

int main()
{
	//对信号的自定义捕捉 ，只需捕捉一次，后续就一直有效！！！
    signal(2, handler);
    while (true)
    {
        std::cout << "pid :" << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

该程序的功能是每隔一秒打印出当前进程的ID，并且当接收到SIGINT信号*（2号信号）时，会调用handler函数打印出信号编号。通常情况下，当你运行这个程序并按下Ctrl+C时，程序会打印出"get sig:2"并继续运行，因为它已经处理了SIGINT信号。如果你想要终止程序，使用kill命令。

来看效果：

我们也可以多设置一些捕捉：

signal(2, handler);
signal(3, handler);
signal(4, handler);
signal(5, handler);

这样可以与之捕捉对应的信号！

如何理解信号的发送和处理??? 浅度理解：进程我们知道是通过task_struct来管理的，里面有一个uint32_t signal变量,其收到的信号是通过位图来保存的（1 - 31比特位分别代表 1 - 31 号信号）。那么发送信号：就是修改指定进程pcb的信号的指定位图 0 -> 1。也就是“写信号” 通过上面的分析，发送信号改变了内核数据结构，而这个工作只能是OS来进行，所以只有OS可以发送信号。

那么kill信号能向进程发送信号！还有其他可以发送信号的方式吗？我们来看：

3 信号产生

信号产生的方式有以下几种：

通过kill命令：向指定进程发送指定的信号
键盘可以产生信号：我们常用的ctrl + c （2号信号）和 ctrl + \(3号信号)都可以向进程发送信号
系统调用：
- int kill(pid_t pid, int sig)
该系统调用可以向pid对应的进程，发送sig信号。发送成功返回 1 反之返回 0。
- 还有 int raise(int sig); 系统调用是向当前进程发送指定信号。比较简单奥。
- 还有 void abort(void); 库函数异常终止当前进程。是对应的6号信号（终止会打印Aborted!）其特殊的性质是可以被捕捉，但是进程还是会被终止掉，就是为了防止发生所有信号都被捕捉，没有信号可以终止的情况，9号信号和19号信号不能被自定义捕捉！！！
软件条件：我们回忆一下：管道的读端关闭、写端一直进行时 — 系统就会关闭管道（因为该管道无意义）发送13号信号SIGPIPE。也就在软件层面某些条件不满足而产生的信号！这里着重介绍一下alarm系统调用。
异常：进程非法操作的时候，OS会发送信号！让进程崩溃（默认是终止进程，也可以进行捕捉异常信号。推荐终止进程！）

接下来我们来看看一下kill系统调用、 alarm系统调用、异常。

kill系统调用

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

void handler(int sig)
{
    std::cout << "get sig:" << sig << std::endl;
}
// ./mykill 2 277015
int main(int argc , char* argv[])
{
    if(argc != 3) 
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " signum pid" << std::endl;
        return 1;
    }
    uint32_t sig = std::stoi(argv[1]);
    pid_t pid = std::stoi(argv[2]);
    //发送信号
    kill(pid , sig);

    return 0;
}

这样我们就被kill系统调用进行了一个封装！我们使用一下来看：

成功向目标进行发送指定信号！

alarm系统调用

alarm系统调用会设置一个时间为seconds的“闹钟”，时间到了就会发送信号14) SIGALRM。我们设置一个闹钟看看

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

int main()
{
    int cnt = 1;
    alarm(1); //设定1秒的闹钟
    while(true)
    {
        std::cout << cnt << std::endl;
        cnt++;
    }
}

运行看看：

1s后就停止了！因为14号信号对应的是term会进行终止！

我们也可以进行一个捕捉

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

void handler(int sig)
{
    std::cout << "get sig:" << sig << std::endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    int cnt = 1;
    signal(SIGALRM , handler);
    alarm(1); //设定1秒的闹钟
    while(true)
    {
        std::cout << cnt << std::endl;
        cnt++;
    }
}

成功捕捉到是14号信号！

如果我们不加上每次IO的输出，只在最后打印一次，我们会发现cnt会达到近10亿。这就验证了IO是很慢的一个过程！因为IO的本质是向外设进行输出数据，外设的传输速度肯定比内存慢！！！

alarm的本质是通过时间戳来比对，在设置闹钟的那一刻，操作系统会获取当前时间戳，然后加上闹钟时间得到一个新的时间戳。在以后的运行中不断和系统时间戳进行比对，相等的时候是就是闹钟的结束时刻！！！

操作系统对闹钟的管理是也是通过内核数据结构struct alarm，并通过最小堆来进行。按照过期时间来排序，最上面的闹钟到时间了就进行pop，这样就可以进行一个管理！

闹钟的返回值是什么意义呢？闹钟的返回值是上一个闹钟的剩余时间（alarm(0)表示取消闹钟）

注意闹钟默认只触发一次

void handler(int sig)
{
    alarm(1); //设定1秒的闹钟
    std::cout << "get sig:" << sig << std::endl;
}

int main()
{
    int cnt = 1;
    signal(SIGALRM , handler);
    alarm(1); //设定1秒的闹钟
    while(true)
    {
        std::cout << cnt << std::endl;
        cnt++;
    }
}

这样可以设置出一个一直在运行的闹钟：

异常

在学习C语言之初，一定接触过这样的代码：

int main()
{
    while(true)
    {
        int a = 100;
        a /= 0;

        // int *p = nullptr;
        // *p = 100;
    }
    return 0;
}

我们运行看看：

运行起来就崩溃了！再来试试

int *p = nullptr;
*p = 100;

也崩溃了，那么为什么程序会崩溃呢？？？

因为程序非法访问，导致OS给进程发送信号，进程就崩溃了。来捕捉信号来证明一下：

void handler(int sig)
{
    std::cout << "get sig:" << sig << std::endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    signal(SIGFPE , handler);
    while(true)
    {
        std::cout << "pid :" << getpid() << std::endl;
        int a = 100;
        a /= 0;
    }
}

运行看看：

这样就说明崩溃是因为收到了OS发送的信号！

那么OS是怎样知道进程进行非法操作的呢？以浮点数错误为例：

在CPU 运算中，数据是储存在内存中的。CPU可以进行算术运算和逻辑元素 CPU中有大量的寄存器，其中有一个eflag状态寄存器，在里面有一个溢出标记位，运算时出现溢出，溢出标记为为1，就证明出错了（10 / 0 首先会转换为加法运算，导致无限循环溢出）。这时候操作系统就要处理这种硬件问题！即向目标进程发送信号！那为什么不退出就会一直发信号？因为寄存器只有一套，但是寄存器里面的数据是属于每一个进程的 — 对应硬件上下文的保存与恢复。如果进程不退出，下一次调度的时候，对寄存器的数据进行恢复时，就会触发溢出标记位的错误，OS就会又一次发送信号！！！ 这也就是为什么推荐终止进程 — 释放进程的上下文数据，包括溢出标记位数据和其他异常数据！

段错误也是硬件的问题，空指针无法通过页表（实际上是MMU内存管理模块进行操作）映射到物理地址，会发生错误！