【Linux探索学习】第二十七弹——信号（一）：Linux 信号基础详解

Linux学习笔记：

https://blog.csdn.net/2301_80220607/category_12805278.html?spm=1001.2014.3001.5482

前言：

前面我们已经将进程通信部分讲完了，现在我们来讲一个进程部分也非常重要的知识点——信号，信号也是进程间通信的一种，本篇主要讲解信号的概念和信号的几种产生方法及对应的场景

一、引言

在 Linux 操作系统中，信号（Signal）是一种进程间通信（IPC，Inter - Process Communication）的机制，它用于通知进程发生了某种异步事件。信号可以来自内核，也可以来自其他进程。进程接收到信号后，会根据信号的类型以及自身的处理方式做出相应的反应。理解信号对于编写健壮的 Linux 程序以及深入理解 Linux 操作系统的运行机制至关重要。

二、信号的概念

2.1 什么是信号

信号是一种软中断，它是一种异步通知机制。当某个特定事件发生时，如用户按下特定组合键、系统资源耗尽、进程异常终止等，系统会向相关进程发送一个信号。每个信号都有一个对应的编号和名称，例如信号 1 表示 SIGHUP（挂起信号），信号 9 表示 SIGKILL（强制终止信号）。

2.2 信号的作用

信号的主要作用是让进程能够对异步事件做出响应。例如，当用户在终端中按下 Ctrl + C 组合键时，系统会向当前前台进程发送 SIGINT 信号，通常进程会接收到这个信号后停止当前正在执行的任务并退出。信号还可以用于进程间的通信，一个进程可以向另一个进程发送信号来通知其执行某些操作。

结合2.1和2.2我们来讲解一个概念：信号是一种软中断，是什么意思呢？当我们往键盘中输入内容时是如何告诉给内核的？ctrl+c又是如何被解释为指令的呢？

我们先来看下面这张图：

键盘实际上是通过中断来让操作系统知道自己要写入内容的，键盘被按下时，就会触发硬件中断，不同的硬件对应着不同的中断号，中断单元就可以通过它们的中断号将它们与CPU中不同的键位相连，从而使CPU中这个方向的寄存器(32位)特定位置产生电信号，操作系统中有一个叫中断向量表的类似于函数指针结构体的结构，里面保存着访问各种外设的方法，操作系统通过CPU产生的电信号就辨别出要获取哪种硬件的信息，从而通过中断向量表中的方法，将硬件中的信息拷贝到操作系统的文件缓冲区中(操作系统下一切皆文件，且每一个文件都有自己的文件缓冲中区)，然后再拷贝到用户缓冲区 同时比如键盘等外键，操作系统在获取键盘上的信息时会先进行识别，会对数据进行判断，如果是控制进程的比如ctrl+c等组合键就不会往缓冲区中拷贝，我们可以发现我们学习的信号与上面的中断过程很像，其实信号，就是用软件方式，模拟的对讲程的硬件中断，所以信号也被叫做软中断

2.3 信号的特点

1. 异步性：信号的产生是异步的，与进程的执行顺序无关。进程在运行过程中可能随时收到信号。
2. 简单性：信号机制相对简单，只需要一个信号编号就可以标识不同的信号。
3. 有限性：Linux 系统中定义的信号数量是有限的，不同的系统可能略有差异，但通常在几十种左右。

2.4 常见信号列表

可以通过kill -l指令查看所有信号

kill -l

三、信号的产生

3.1 前台进程和后台进程

先来科普一个小知识点：前台进程和后台进程，来看下面一个程序

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
    while(true)
    {
        cout<<"I am a crazy process"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们进行编译后会得到一个可执行程序

./myfile

我们这样执行时我们会发现在程序运行的时候，我们输入其它指令比如Is，pwd等都不会有结果，进程还在继续运行，除非用ctrl+c终止掉进程，这样的进程称为前台进程

./myfile &

这种的后面加上地址符的叫做后台进程，后台进程可以被其它进程命令临时打断并执行这个命令，比如我们输入ls指令，进程就会暂停并且输出Is的结果，但是最后需要自己把进程结束掉

Linux中，一次登陆中， 一个终端，一般会配上一个bash，每一个登陆，只允许一个进程是前台进程，可以允许多个进程是后台进程 当./process运行时，输入指令之所以不能运行就是因为此时的前台进程由bash转变为了process

• 终端占用情况
  • 前台进程：会独占终端，直到进程执行完成或者被挂起，在这期间终端无法接受其他命令输入，用户只能与该进程进行交互。
  • 后台进程：不会占用终端，终端可以继续接受用户输入的其他命令，用户可以在同一个终端中同时启动多个后台进程，并随时切换到其他任务。
• 运行特性
  • 前台进程：其执行过程会受到用户操作的直接影响，比如用户可以通过键盘输入来中断或暂停进程。如果终端关闭，前台进程通常会被终止，除非进行了特殊的设置。
  • 后台进程：通常是长时间运行的，不受终端关闭的影响，除非明确地对其进行停止或重启操作。它按照自身的逻辑和任务需求在后台持续运行，不会因为用户的一些常规操作而中断。

3.2 用户产生信号

1. 键盘输入：用户可以通过在终端中按下特定的组合键来产生信号。例如：

• • Ctrl + C：产生 SIGINT 信号，用于中断当前正在运行的进程。比如，我们在终端中运行一个长时间运行的命令while true; do echo "Hello"; sleep 1; done，按下 Ctrl + C 后，该命令对应的进程会接收到 SIGINT 信号并终止。
• • Ctrl + \：产生 SIGQUIT 信号，不仅会终止进程，还会生成核心转储文件（如果系统配置允许，一般在云服务器上是默认关闭的，虚拟机上可能是开启的）。例如，运行一个简单的 C 程序#include <stdio.h> int main() { while(1); return 0; }，编译运行后，按下 Ctrl + \，进程会终止并生成核心转储文件（在当前目录下，文件名为 core，具体名称和位置可能因系统配置而异）。（了解即可，这个生成core文件的内容与进程退出部分也有联系，有想了解的可以单独去搜索一下）

1. 使用 kill 命令：用户可以使用 kill 命令向指定进程发送信号。kill 命令的基本语法是kill [信号编号] 进程ID。例如，要向进程 ID 为 1234 的进程发送 SIGTERM 信号（信号编号为 15），可以在终端中输入kill -15 1234，也可以使用信号名称kill -SIGTERM 1234。如果省略信号编号或名称，默认发送 SIGTERM 信号。

3.3 系统产生信号

1. 进程异常：当进程发生异常时，如段错误（访问非法内存地址）、除零错误等，系统会向该进程发送相应的信号。

• • 段错误（Segmentation Fault）：当进程访问了不属于它的内存区域时，会产生段错误，一般都是野指针问题，系统会向该进程发送 SIGSEGV 信号。例如，下面的 C 代码会导致段错误：

#include <stdio.h>

int main() {

int *ptr = NULL;

*ptr = 10; // 试图向空指针指向的地址写入数据，会引发段错误

return 0;

}

编译运行这段代码，程序会崩溃，并提示 “Segmentation fault”，这是因为进程接收到了 SIGSEGV 信号。

• 除零错误（Division by Zero）：当进程执行除法运算时，如果除数为零，会产生除零错误，系统会向该进程发送 SIGFPE 信号。例如：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 10;
    int b = 0;
    int c = a / b; // 除零操作，会引发除零错误
    return 0;
}

运行这段代码，程序会崩溃，并提示 “Floating point exception”，这是因为进程接收到了 SIGFPE 信号。

2. 系统资源相关：当系统资源达到一定阈值时，也可能产生信号。例如，当进程使用的内存超过了系统限制时，系统可能会发送 SIGKILL 信号来终止该进程，以防止系统内存耗尽。不过，这种情况通常需要系统进行相关的配置和监控。

3.4 软件产生信号

1. 使用 kill 函数：在 C 语言编程中，可以使用 kill 函数向指定进程发送信号。kill 函数的原型可以用man手册查看，如下：

 man 2 kill

其中，pid 是目标进程的 ID，sig 是要发送的信号编号。例如，下面的代码演示了如何使用 kill 函数向另一个进程发送 SIGTERM 信号：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    pid_t target_pid = 1234; // 假设目标进程ID为1234
    int result = kill(target_pid, SIGTERM);
    if (result == -1)
    {
        perror("kill failed");
    }
    else
    {
        printf("SIGTERM sent to process %d\n", target_pid);
    }
    return 0;
}

在实际使用中，需要将target_pid替换为真实的目标进程 ID。

2. 使用 raise 函数：进程可以使用 raise 函数向自身发送信号。raise 函数的原型也可以通过man手册来查看，如下：

man raise

其中，sig 是要发送的信号编号。例如，下面的代码演示了如何使用 raise 函数向自身发送 SIGINT 信号：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int main()
{
    int result = raise(SIGINT);
    if (result != 0)
    {
        perror("raise failed");
    }
    else
    {
        printf("SIGINT sent to self\n");
    }
    return 0;
}

运行这段代码，进程会接收到自己发送的 SIGINT 信号并终止。

四、信号的处理

4.1 默认处理方式

每个信号都有一个默认的处理方式，常见的默认处理方式包括：

1. 终止进程：如 SIGINT、SIGTERM 等信号的默认处理方式是终止进程。
2. 生成核心转储文件并终止进程：例如 SIGQUIT 信号，在终止进程的同时会生成核心转储文件，该文件包含了进程在收到信号时的内存状态等信息，可用于调试程序。
3. 忽略信号：有些信号（如 SIGCHLD，子进程状态改变时发送给父进程的信号）的默认处理方式是忽略。

4.2 自定义信号处理函数

进程可以通过调用 signal 函数或 sigaction 函数来设置自定义的信号处理函数。

1. signal 函数：signal 函数的原型如下：

man signal

其中，signum 是信号编号，handler 是指向信号处理函数的指针。例如，下面的代码演示了如何使用 signal 函数设置 SIGINT 信号的自定义处理函数：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void signal_handler(int signum)
{
    printf("Received SIGINT. Cleaning up...\n");
    // 在这里进行一些清理工作，如关闭文件、释放资源等
    _exit(0); // 退出进程
}
int main()
{
    signal(SIGINT, signal_handler);
    while (1)
    {
        printf("Running...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个例子中，当进程接收到 SIGINT 信号时，会调用signal_handler函数，而不是默认的终止进程操作。

2. sigaction 函数：sigaction 函数比 signal 函数提供了更丰富的功能，它可以设置信号处理函数、处理信号时的掩码、信号的标志等。sigaction 函数的原型如下：

#include <signal.h>

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {

void (*sa_handler)(int);

void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);

sigset_t sa_mask;

int sa_flags;

void (*sa_restorer)(void);

};

其中，signum 是信号编号，act 是指向新的信号处理动作的结构体指针，oldact 是指向旧的信号处理动作的结构体指针（如果不需要获取旧的处理动作，可以设为 NULL）。例如，下面的代码演示了如何使用 sigaction 函数设置 SIGINT 信号的自定义处理函数：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void signal_handler(int signum)
{
    printf("Received SIGINT. Cleaning up...\n");
    // 在这里进行一些清理工作，如关闭文件、释放资源等
    _exit(0); // 退出进程
}
int main()
{
    struct sigaction new_action, old_action;
    new_action.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&new_action.sa_mask);
    new_action.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &new_action, &old_action);
    while (1)
    {
        printf("Running...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这段代码与使用 signal 函数的例子功能类似，但使用 sigaction 函数可以更灵活地配置信号处理方式。

五、总结

信号是 Linux 系统中一种重要的进程间通信和异步事件通知机制。通过本文，我们详细了解了信号的概念，信号的产生和部分信号的处理工作，后面我们还会讲解信号的捕捉等处理工作，学习信号可以帮助我们更好的实现进程通信和异步处理等诸多操作

本篇笔记：

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