【Linux杂货铺】进程信号
目录
🌈前言🌈
📁 概念
📁 总体认识
📁 信号产生
📂 kill命令
📂 通过终端按键
📂 系统调用函数
📂 软件条件
📂 硬件异常
📁 core 和 term
📁 信号保存
📂 信号的相关概念
📂 内核表示
📂 sigset_t
📂 信号集操作函数
📂 sigprocmask
📂 sigpending
📁 捕捉信号编辑
📂 signal
📂 sigaction
📂 用户态和内核态
📁 可重入函数
📁 volatile关键字
📁 SIGCHLD
📁 总结
🌈前言🌈
欢迎收看本期【Linux杂货铺】，本期内容将讲解信号的概念，本文旨在通过粗俗易懂的语言，并配上清晰的图画，让大家更好的理解信号的概念。在学习本章内容前，需要你对进程的概念及其操作熟悉。
【Linux杂货铺】进程的基本概念-CSDN博客
【Linux杂货铺】进程控制-CSDN博客
📁 概念
信号是进程间事件异步通知的一种方式，属于软终端。信号就是一条消息，它通知进程发生了一件事。
在Linux系统上支持30中不同类型的信号，每种信号都对应于某种系统事件。底层的硬件异常是由内核异常处理程序处理的，对于用户进程而言是不可见的。信号提供了一种机制，通知用户进程发生了这些异常。
——《深入理解计算机系统》
我们先来使用一下信号：1. 用户输入命令，在shell下启动一个前台进程；2. 用户按Ctrl + c ，这个键盘输入产生了一个硬件中断，被OS获取，解释为信号，发送给目标前台进程，前台进程因为收到信号，进而引起进程退出。
注意：
1. Ctrl + C 产生的信号（SIGINT）只能发送给前台进程，一个命令后面加上&可以放到后台运行，这样shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。
2. shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接收到Ctrl + C这种控制键产生的信号
3. 前台进程在运行过程中用户随时可能按下Ctrl + C而产生一个信号，也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到SIGINT信号而终止，所以信号相对于进程的控制流程来说是异步的，
📁 总体认识
我们通过下图，来认识信号的处理过程。下图也是接下来讲解信号的主线。
1. 因为某种事件发生，内核向进程发送了信号，该进程收到该信号；
2. 如果正在处理某种事件，会在合适的时间去处理，在这个期间你收到信号但没有处理，叫做保存；
3. 当时间合适，就处理该信号，有三种动作：a. 执行默认动作；b. 执行自定义动作；c. 忽略该动作。
因为进程并不知道信号要发送，所以还在处理自己的事情，但满足某种条件，内核向进程发送信号，进程并不知情，这个过程就是异步的，进程并不知道什么时候产生信号。
信号处理时，如果执行自定义动作，就要提供一个信号处理函数，要求内核切换到用户态来处理这个函数，这种方式叫做 捕捉（catch）一个信号。
我们可以通过 kill -l 命令查看系统定义的信号列表
a. 每个信号都有一个编号和一个宏定义，这些宏定义在signal.h中可以找到，例如有定义#define SIGINT 2
b. 编号34以上的信号是实时信号，本章只讨论34以下的信号，不讨论实时信号。这些信号在各自什么条件下产生，默认处理动作是什么，在signal 7 中都有详细说明
【 man 7 signal 】命令查看
📁 信号产生
📂 kill命令
我们可以再shell下，输入kill -信号 进程pid 的方式向指定进程发送信号
📂 通过终端按键
Ctrl + C : 就是向前台进程发送2号信号。
Ctrl + ：就是向前台进程发送3号信号。
📂 系统调用函数
#include
int kill(pid_t pid , int signo) : 向任意进程发送任意信号，kill命令就是调用kill函数。
int raise(int signo) : 向当前进程发送信号。
这两个函数都是成功返回0，失败返回-1。
#include
void abort(void)：使当前进程接收到信号（6 SIGABRT）而终止异常。
这个函数总是会成功，所以没有返回值。
📂 软件条件
1. SIGPIPE就是一种由软件条件而产生的信号，在管道章节中进行讲解，即读端关闭，写端不会一只写，而是会收到信号SIGPIPE而终止。
2. alarm函数和SIGALRM信号
#include
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,
该信号的默认处理动作是终止当前进程。
*/ 这个函数返回值是0或者以前设定的闹钟的剩余秒数。
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。
#include
#include
int main()
{
int count = 1;
alarm(1);
while(count++)
{
std::cout << "count = " << count << std::endl;
}
return 0;
} 在一秒内计数，一秒后被SIGALRM终止。
📂 硬件异常
1. 除0错误
CPU中有一个状态检测寄存器eflags，包含了多个状态标记位，其中有一个溢出标记位OF，可以帮助程序员检测可能得数值错误，如果溢出，OF标志位会被置为1，反之会被置为0。如果为1，内核会向进程发送 8号信号 SIGFPE。
2. 野指针
CPU中有一个CR2寄存器，保存着最后一次出现页故障的32为线性地址。即CPU尝试访问一个不存在的页面时，会发生叶股长，此时CPU会将引起页故障的线性地址保存在CR2寄存器中。
📁 core 和 term
我们以部分信号为例，第三列表示该信号的默认动作，Core和Term都是中断进程，Ign是忽略动作。
core和term的相同点都是中断进程，但是core会产生一份core文件，dump到硬盘中，协助我们进行debug文件，即事后调试。
core文件相当于进程退出时的镜像文件（核心转储），将进程退出的内存数据dump到当前目录。云服务器的核心转储功能默认是关闭。
当一个进程要异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core。
进程异常终止通常是因为有Bug，比如非法内存访问导致段错误，事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因，这就是事后调试。
一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit，默认是不允许产生core文件，因为core文件可能包含用户密码等敏感信息不安全。
在开发调试阶段，可以用ulimit命令更改这个限制，允许产生core文件。下图演示如何生成core文件，以及调试core文件。
📁 信号保存
信号的产生和发送都是OS来操作的，因为OS是进程的管理者，且信号的并不是立即处理，而是在合适的时候。信号如果不是立即处理，那么信号就需要暂时被进程记录下来，记录在哪里？进程在还没有收到信号时，是否知道自己应该对哪些信号进行处理？
📂 信号的相关概念
1. 实际执行信号的处理动作叫做 信号递达(Delivery)
2. 信号从产生到递达之间的状态称为 信号未决(Pending)
3. 进程可以选择阻塞(Block)某个信号
4. 被阻塞的信号产生时保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
5. 阻塞和忽略不同，只要信号被阻塞就不会被递达，而忽略是递达之后的一种可选处理动作。
📂 内核表示
上图是信号在内核中的表示示意图。
block 和 pending是两个位图，可以理解为32为比特位的位图，第几个比特位表示第几个信号，该比特位是否为1，表示该信号是否有效。在pending位图中，是否有效表示是否收到该信号，block位图中，是否有效表示是否阻塞该信号。
handler是一个函数指针数组，又32个函数指针元素，通过下标来访问对应的方法，如果用户自定义了信号捕捉，该函数指针就指向该函数。
因此，进程通过两个位图和一个有32个元素的函数指针数组来表示信号是否收到，是否递达信号，以及收到信号后，执行信号的动作。
n号信号再被递达前，清除pending位图中对应的比特位，且n号信号在被递达时，会屏蔽你、
号信号，直到n号信号递达后，再处理n号信号。
📂 sigset_t
sigset_t 是 Linux提供的一种类型，叫做信号集，里面封装了位图，用户可以通过sigset_t 来操作进程对信号的屏蔽，获取进程的pending位图，block位图，添加屏蔽信号，删除屏蔽信号等。
阻塞信号集也叫做当前继承的信号屏蔽字，这里的屏蔽应该理解为阻塞而不是忽略。
📂 信号集操作函数
sigset_t 类型对于每种信号用一个bit为表示有效或者无效，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者角度不必关心，只需要调度以下函数来操作sigset_t变量。
#include
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); sigemptyset 函数用来初始化指向的信号集，使其中所有信号对应的bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号。
sigfillset 函数用来初始化，使其中所有信号对应的bit置为1，表示该信号集不包含任何有效信号。
在使用sigset_t 类型变量之前，一定要调用sigemptyset 或者 sigfillset函数做初始化，是信号集处于确定状态。
用sigaddset 和 sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
这四个函数都是成功返回0，失败返回-1.
sigismember 函数是一个布尔函数，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，返回1；不包含，返回0；出错返回-1。
📂 sigprocmask
调用该函数，可以读取或者更改进程的信号屏蔽子（阻塞信号集）
#include
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
成功返回0，失败返回-1 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。
📂 sigpending
#include
sigpending
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。 
程序运行时,每秒钟把各信号的未决状态打印一遍,由于我们阻塞了SIGINT信号,按Ctrl-C将会 使SIGINT信号处于未决 状态,按Ctrl-仍然可以终止程序,因为SIGQUIT信号没有阻塞。
📁 捕捉信号
上图是我们捕捉信号的流程，当进程在因为某种事件进入内核态，处理完这个事件就处理当前进程可以递达的信号。捕捉信号就是执行自定义信号处理函数，这个函数是在用户态，为了安全等问题，需要返回用户态去执行这个函数，再返回内核态，由内核态返回用户态。
用户态和内核态会在下文中进行讲解，再次先做了解。
📂 signal
signal函数就是用来捕捉特定信号的，提供自定义函数，来执行自定义动作。这里就和之前信号保存的内容连接在一起，将进程中函数指针表[signum]的函数指针 指向handler函数，当有该信号被递达时，就执行该函数。
下图是就是捕捉2号信号，捕捉后打印内容:
#include
#include
void handler(int signo)
{
std::cout << "get a signal : " << signo << std::endl;
}
int main()
{
//对2号信号进行捕捉
signal(2,handler);
while(true)
{
std::cout << "Running , pid : " << getpid() << std::endl;
}
return 0;
} 📂 sigaction
和signal函数一样，都是用来捕捉信号的，sigaction函数可以读取和修改指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错返回-1。
signum是指定信号的编号。若act不为空，则根据act修改信号的处理动作。若oact不为空，则通过oact传出该信号原来的处理动作，act和oact都是指向sigaction结构体。
sigaction结构中，只需要处理3个参数即可，给出自定义的 sa_handler 函数, 初始化sa_mask，将sa_flags 初始化为0。
#include
#include
#include
void handler(int signo)
{
std::cout << " get a signal" << signo << std::endl;
exit(1);
}
int main()
{
struct sigaction act,oact;
act.sa_handler = handler;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
sigaction(2,&act,&oact);
while(true)
{
std::cout << "I am pid: " << getpid() << std::endl;
sleep(1);
}
return 0;
} 将sa_handler赋值为SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为SIG_DFL表示执行系统的默认动作，赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号，或者想内核注册一个信号处理函数，该函数返回值void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用一个函数处理多种信号，显然这也是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被OS调用。
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。
📂 用户态和内核态
在32位机器下，一个进程拥有4GB的虚拟地址空间，其中[0,3] 表示用户空间，[3,4] 表示内核空间，即OS本身就在我们进程的地址空间里，由内核级页表映射到物理内存且内核级页表只需要维护一份即可。访问OS，和访问库函数没有区别，但是OS不相信任何人，用户不能直接访问[3,4]地址空间，要受到一定约束，即只能通过系统调用。
系统调用是OS提供的接口，存放在OS内，即进程虚拟地址空间中的[3,4]空间中。
虚拟地址空间分为用户空间和内核空间，用户不能随便访问内核空间。例如，我们平时调用函数，直接在用户跳转到函数所在的起始地址即可，但是系统调用不同，它是存放在OS空间中。
这是怎么做到用户不能随便访问内核空间的？
CPU中有一个寄存器CS寄存器，这个寄存器主要用于存储当前正在执行指令的代码段的基地址。
用户态切换到内核态，就是将CS寄存器中比特位将0改为1。用户想要跳转OS内核态，通过cs检测是否是0，如果是3，不允许访问。因此想要调用系统调用，就先要由用户态切换到内核态。
因此，如果用户想要调用系统调用，先要检查CS寄存器比特位是否为0，如果不是改为0，访问内核空间。
如果用户不使用系统调用，就不能访问到内核空间，因为寄存器的比特位为3，就不允许访问。
用户态与内核态的切换是随时可能进行的。例如CPU要在一定的时间内，通知OS检查时间片，如果时间片到了就切换进程，此时就需要用户态与内核态的切换。
📁 可重入函数
进程在执行函数时，可能会用户态与内核态进行切换，切换时进行信号检测，捕捉信号，在捕捉信号中再次调用该函数，引发了数据二义性问题，此时这个函数就是不可重入函数。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
1. 调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
2. 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。
📁 volatile关键字
现代编译器会对程序进行优化，例如我们有一个全局函数，某一行调用后，此后不会再使用，影响后面的结果，此时编译器为了速度就不会一次一次内存中读取，而是将数据放在CPU寄存器中，即寄存器隐藏了内存中实际的值。
此时，如果信号捕捉时修改了该变量，但是主函数访问该变量还是从CPU中读取，没有看到内存中修改后的数据，就引发了程序问题。
volatile关键字的作用就是在变量前 + volatile ，要求编译器保持内存的可见性。
#include
#include
#include
int g = 0;
void handler(int signo)
{
std::cout << "get signal" << signo << std::endl;
g = 1;
}
int main()
{
signal(2,handler);
while(!g)
{ ; }
std::cout << "close" << std::endl;
return 0;
}
📁 SIGCHLD
进程讲过用wait和waitpid函数等待子进程结束来清理僵尸进程，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞查询子进程结束等待清理（也就是轮询的方式）。采用第一种方式，父进程阻塞就不能处理自己的工作；采用第二种方式，父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下。
其实，子进程终止时会给父进程发送SIGCHLD子进程，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，这样父进程只需要处理自己的工作，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。
此外，如果想不产生僵尸进程，还有一种方法：父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作设置为SIG_IGN，这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉，不会产生子进程，也不会通知父进程。系统的忽略动作和用户设置的SIG_IGN是不一样。
📁 总结
以上就是进程信号的所有内容了，围绕信号的产生的发送，信号的保存，以及信号的处理讲解，每个阶段都有细分的小点，掌握这些，可以说对信号有了完全清晰的理解。
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