操作系统：信号究竟是什么？如何产生？

OS信号

  • 一、信号的概念
  • 二、信号的产生
  • 1）终端按键产生信号
    • 1、 前台进程、后台进程
    • 2、验证终端按键是否产生信号
  • 2）调用系统函数向进程发信号
  • 3）硬件异常产生信号
    • 1、浮点数溢出，CPU产生信号
    • 2 浮点数溢出，产生信号原理
    • 3. 空指针解引用错误，MMU产生信号原理
  • 4）软件异常产生信号

一、信号的概念

 信号是一种向目标进程发送信息，异步通知的一种方式，属于软中断。本质上是用软件来模拟中断行为！

 在生活中存在很多信号，诸如红绿灯、闹钟铃声、古代狼烟、防空警报等等。以红绿灯为例，我们是如何认识红绿灯信号的。根本原因在于我们在小时候就已经有人提前告诉你如何去识别它、对应的灯亮了意味这什么，要做什么！

 同理，在操作系统中已经提前内置了信号信息。我们通过kill -l查看：

在这里插入图片描述

  • 每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到。其中 1~31为普通信号，43~64为实时信号（不关心），没有32、33号信号！这些信号各自在什么条件下产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal。

 在操作系统中，信号还没有产生之前，进程就能识别它（数字代号或宏），如何处理。信号的到来，我们并不清楚是什么时候，所以信号相对进程来说是异步的。信号产生后，进程不一定立即处理它，而是在合适的时候进程处理。所以我们需要将已经到来的信号进行保存！

  • 所以信号如何产生？操作系统如何保存信息？

二、信号的产生

 在操作系统中，产生信号有4种方式：终端按键产生、系统调用产生、硬件异常产生、软件条件产生！

1）终端按键产生信号

 下面通过终端按键向前台进程和后台进程发送信号为例！

1、 前台进程、后台进程

 下面我们创建一个process.cc源文件，让其死循环输出信息。

#include <iostream>
#include <unistd.h>int main()
{int cnt = 0;while(true){std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl;sleep(1);}return 0;
}
  1. 我们编译运行后，产生一个前台进程。我们可以在终端输入ctrl c发送2号信号来终止前台进程！

请添加图片描述
 我们在键盘上按下ctrl z后，会产生硬件中断。操作系统会识别到硬件数据就绪，此时操作系统读键盘上的数据，发送给目标进程。前台进程因为收到2号信号，进而引起信号退出！！

  1. 我们也可以通过ctrl z发送20号信号暂停前台进程！但由于前台进程不能被暂停，否则键盘将失效。此时当前被暂停的前台进程后转化为后台进程。shell外壳进程快速从后台切换为前台进程。

 下面我们将前台进程输入重定向到log.txt，死循环打印消息。然后ctrl z发送20号信号，此时前台进程会变为后台进程。具体效果如下：

请添加图片描述

 我们发现ctrl z向目标进程发送20号信号后，前台进程变为后台进程，并且被暂停！

  1. jobs指令可以查看当前系统中的后台进程。
  2. bg 指令+ 后台进程编号可以重新启动后台进程。fg 指令+ 后台进程编号可以将后台进程提到前台，变为前台进程！
  3. 前台进程只能有一个（键盘只有一个），后台进程可以有多个。两者本质区别在于前台进程可以接收用户输入，后台不行。shell进程比较特殊，不会被ctrl c杀掉。并且根据具体情况，Os会自动将shell提到前台或后台！！

2、验证终端按键是否产生信号

 上述我们通过终端按键让进程产生一系列行为。当ctrl c真的向目标进程发送了2号信号吗？ctrl z真的向目标进程发送了20号信号吗？我们需要进一步验证！

 操作系统提供了一个signal系统调用即可，可以自定义捕捉信号。

 #include <signal.h>//函数原型如下，signal()第二个参数用于自定义捕捉信号typedef void (*sighandler_t)(int);sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

下面我们以自定义捕捉2号信号，分别通过终端ctrl c和用户主动发送2号信号，对比进程行为！！

【源代码如下】：自定义捕捉2号信号，让进程受到2号信号退出时，打印一段消息！！

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void handler(int signo)
{std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl;exit(0);
}int main()
{std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl;//自定义捕捉2号信号，signal()会将待捕捉信号种类数字传给handler()signal(2, handler);int cnt = 0;while(true){std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

【终端ctrl c效果】：

请添加图片描述

【发送2号信号效果】：
请添加图片描述

  • 我们发现两者行为一直，系统都受到了2号信号。进一步验证终端输入可以发送信号！！

2）调用系统函数向进程发信号

 操作系统提供了系统调用接口kill，用来向指定进程发送特定信号！

 //函数原型#include <sys/types.h>#include <signal.h>int kill(pid_t pid, int sig);//发送成功，返回0；否则返回-1

【实例】：进程打印3次消息后，通过系统调用接口发送2号信号

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void handler(int signo)
{std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl;exit(0);
}int main()
{int count = 3, cnt = 0;signal(2, handler);//自定义捕捉2号信号while(true){std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl;if(--count == 0)kill(getpid(), 2);sleep(1);}return 0;
}

【运行结果】：
请添加图片描述

  1. kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。
  2. raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。
#include <signal.h>
int raise(int signo);
//是成功返回0,错误返回-1。
  1. abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。
#include <stdlib.h>
void abort(void);
//就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。

3）硬件异常产生信号

 下面以浮点数溢出和空指针解非法解引用错误为例

1、浮点数溢出，CPU产生信号

 我们知道除式中，除数为0是非法的。此时CUP硬件会发送8号信号，表示浮点数异常Floating point exception。我们先来看看相关现象，代码如下：（我们特意让进程一直被运行，并且8号信号自定义捕捉。进程收到8号信号时不退出）

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void handler(int signo)
{std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl;sleep(1);
}int main()
{std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl;signal(8, handler);int x = 10;x /= 0;while(true){}return 0;
}

【运行结果】：

请添加图片描述
 我们观察到进程确实收到了8号信号。

2 浮点数溢出，产生信号原理

 在CPU中存在许多寄存器，其中存在一个名为status的状态寄存器，其中存在一个标志位用来保存最近一次运算结果是否发送溢出！！
 加上我们CPU寄存器eax中保存10，ebx寄存器中保存0。10/0，本质上是除一个无限小的数，导致结果无限大，发生溢出。此时操作系统会识别到该信息,然后立即将当前进程从CPU上剥离，添加到某种异常处理队列。

 此时操作系统会将该异常解释位kill(targetprocess, signo)。然后保存到进程PCB中！当异常处理完后，会被CPU再次调度运行，执行后续代码！

 但此时我们自定义捕捉了8号信号，没有让进程退出，会一直循环上述过程。
在这里插入图片描述

3. 空指针解引用错误，MMU产生信号原理

 MMU（内存管理单元），它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件，现如今一般别集成到CPU上。 它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护等！

 对空指针进行非法解引用，即试图对0号地址进行写入。但此时页表中没有建立相关映射，此时MMU进程虚拟地址向物理地址转化时发送失败，MMU报错，相关标志位改变。该变化会被OS识别后向目标进程写信号！！

4）软件异常产生信号

 对于管道，比如匿名管道等存在同步机制的管道。当读端关闭，此时管道写端也会关闭退出。这就是一种典型的软件异常。当管道写端关闭，写端进行写入时会触发 SIGPIPE14信号。进而关闭读端退出！

 下面我i们以alarm函数为例，测试软件异常。
 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。

//函数原型#include <unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

 下面我们设置一个3秒的闹钟，程序运行后闹钟醒来发送14号信号！

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>int cnt = 0;void handler(int signo)
{//下面注释代码：我们可以主动发送14号信号，历史闹钟剩余时间，并取消历史闹钟//int n = alarm(0);//取消历史闹钟，如果存在返回剩余时间//std::cout << "result:" << n << std::endl;std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << "alarm" << std::endl;exit(0);
}int main()
{std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl;signal(14, handler);alarm(30);while (true){sleep(1);}return 0;
}

【运行结果】：
请添加图片描述

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