Linux:信号

目录

1.信号

2.信号的过程

a.信号的产生

1:键盘产生, 异常产生

2:系统调用产生信号

3.软件条件产生信号

4.硬件异常产生信号

b.信号的发送

c.信号的处理

d.总结与思考

3.信号保存

1.信号及其它相关常见概念

2.在内核中的表示

3.sigset_t

4. 信号集操作函数

4.信号的捕捉

1.信号捕捉流程图

2.sigaction

3.可重入函数

5.代码编写

1.signal函数

2.alarm定时器

3.信号的保存(信号集操作函数)

4.信号的捕捉

5.sigchild

补充

核心转储

volatile

1.信号

1.1.信号的概念

1.1.1什么是linux信号?

本质是一种通知机制， 用户或者OS，通过发送一定的信号，通知进程某些事情已经发生，你可以在后续进行处理, 信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断

1.1.2信号的结论

a.进程要处理信号，必须具备信号 “识别” 的能力（看到 + 处理）

b.凭什么进程能够 “识别” 信号？ 程序员！

c.信号产生式随机的，进程可能在忙别的事情，信号的处理可能不是立即处理

d.信号会临时记录下对应的信号，方便后续处理

e.信号什么时候处理？合适的时候

g.信号的产生相对于进程式异步的（一般而言）

1.2为什么要有信号？

可以根据收到的信号~~>执行相应的操作

1.3信号的使用

用kill -l命令可以察看系统定义的信号列表

普通信号 , 实时信号(编号34以上)

9,18,19信号是管理员信号,它们无法被进程阻塞或忽略

2.信号的过程

产生 ~~> 发送 ~~> 处理

a.信号的产生

1:键盘产生, 异常产生

2:系统调用产生信号

--kill接口

头文件:  <signal.h>
函数: int kill(pid_t pid, int signo);
功能: 向指定进程发送指定信号

--raise接口: 向自己发送指定的信号     (头文件:signal.h)

头文件:  <signal.h>
函数: int raise(int signo);
功能: 给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)

--abort接口: 自己终止自己(发送确认)   (头文件:stdlib.h)

头文件:<stdlib.h> 
函数:void abort(void);
功能:abort函数使当前进程接收到信号而异常终止

通过系统调用接口,向进程发送信号

3.软件条件产生信号

--管道:SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号, 如:管道的读端不再读且关闭了,写端再写没有意义,OS会自动终止对应的写端进程(通过发送信号的方式,SIGPIPE)

--alarm:seconds秒之后给当前进程被SIGALRM信号终止。

头文件:<unistd.h>
函数: unsigned int alarm(unsigned int seconds); 
功能: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。

4.硬件异常产生信号

--除0异常(进行计算的是cpu这个硬件)

CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释 为SIGFPE信号发送给进程

--野指针或者越界问题(使用指针需要找到目标未知,将虚拟地址转换为物理地址,通过MMU)

MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

--异常的检测:cpu内部是有记存器的, 状态寄存器, 有对应的状态标记位, 有溢出标记为, OS会自动进行执行完毕的检测!

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号

b.信号的发送

由OS识别, 解释, 发送

c.信号的处理

  1. 默认 （程序自带，程序员写好的）
  2. 忽略
  3. 自定义动作（捕捉信号）
功能:通过回调的方式,修改捕捉信号对应的方法
头文件:#include<signal.h>
函数:sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); //回调函数typedef void (*sighandler_t)(int);  //函数指针

d.总结与思考

所有的信号, 有它的来源, 但最总全部都是被OS识别, 解释, 并发送的

1.上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么?

因为OS是进程的管理者

2.信号的处理是否是立即处理的？

在合适的时候

3.信号如果不是被立即处理，那么信号是否需要暂时被进程记录下来？记录在哪里最合适呢？

PCB对应的信号位图当中

4.一个进程在没有收到信号的时候，能否能知道，自己应该对合法信号作何处理呢？

能,程序员已经写好

5.如何理解OS向进程发送信号？能否描述一下完整的发送处理过程？

OS去修改位图: 根据编号~~>修改比特位~~>比特位由0置1就完成了信号的发送

--系统调用

用户调用系统接口->执行OS对应的系统调用代码->OS提取参数或设置特定数值->
OS向目标进程写信号->修改对应进程信号标记为->进行后续会处理信号->执行对应处理动作

--如何理解信号发送的本质？

信号位图是在task_struct ->tasj_struct 内核数据结构 ~> OS信号发送的本质： OS向目标进程写信号 ，OS直接修改pcb中指定的位图结构，完成 “发送” 信号的过程

--如何理解信号被进程保存？

a.什么信号 b.怎么产生 ~~>进程必须具有保存信号的相关数据结构（位图）
PCB内部保存了信号位图字段

--信号处理的常见方式

a.默认 （程序自带，程序员写好的）b.忽略 c.自定义动作（捕捉信号）

--如何理解组合键变成信号?

键盘的工作方式是通过中断方式进行的,当然也能够识别组合键
OS解释组合键 ~>查找进程列表 ~> 前台运行的进程 ~> OS写入对应的信号到进程内部的位图结构中

3.信号保存

1.信号及其它相关常见概念

  • 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
  • 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。
  • 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
  • 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.
  • 注意,阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

2.在内核中的表示

  • 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
  • SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前,不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
  • SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里

3.sigset_t

从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。

因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态,

在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态

4. 信号集操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现,从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量,而不应该对它的内部数据做任何解释,比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
//这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。int sigismember（const sigset_t *set, int signo);
//sigismember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
//若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1
  • 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号。
  • 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置位,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
  • 注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号

sigprocmask

功能:调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。
头文件:#include <signal.h>
函数:int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
返回值:若成功则为0,若出错则为-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oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值。

how参数的可选值:

sigpending

功能:读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出
头文件:#include <signal.h>
函数:int sigpending(sigset_t *set);
返回值:调用成功则返回0,出错则返回-1

4.信号的捕捉

1.信号捕捉流程图

信号产生以后可能无法立即处理,在合适的时候处理(从内核态返回用户态的时候)

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,

举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler.

  1. 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。
  2. 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。
  3. 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函 数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。
  4. sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达
  5. 这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了

用户态与内核态

CPU寄存器有2套,一套可见,一套不可见,CR3->表示当前CPU的执行权限: 1内核态 3用户态

我们凭什么有权利执行OS的代码? 根据我们是用户态还是内核态

内核也是在所有进程地址空间上下文中跑得

int80用来切换内核态和用户态(调相关系统接口)

2.sigaction

功能:可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作
头文件:#include <signal.h>
函数int sigaction(int signo,const struct sigaction *act,struct sigaction *oact);
返回值:用成功则返回0,出错则返回-1
  • signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体
  • 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同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,而是被系统所调用

--处理信号的时候,执行自定义动作,如果在处理信号期间,又来了同样的信号,OS如何处理?(本质:为什么要有block)

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。 sa_flags字段包含一些选项

3.可重入函数

一个函数如果被多个执行流重复进入了, 不会出问题, 就叫可重入函数 , 反之就叫不可重入函数

5.代码编写

1.signal函数

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void catchsig(int signum)
{cout << "捕捉到一个信号: " << signum << "Pid: " << getpid() << endl;
}int main()
{// signal(2,fun);signal(SIGINT, catchsig); // 特定信号的处理动作一般只有一个// signal函数,仅仅是修改进程对待特定信号的后续处理动作,不是直接调用函数while (true){cout << "Runing , Pid: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

效果:

2.alarm定时器

设置一个闹钟,1s后会向进程发送SIGALRM信号

捕捉这个信号,改为执行部分功能,并重新设置一个闹钟(catchsig)

使用vector存放函数指针,catchsig中,执行里面的函数

代码:

3.信号的保存(信号集操作函数)

1.如果我们对所有的信号都进行了自定义捕捉--我们是不是就写了一个不会被异常或者用户杀掉的进程?

并不是, 操作系统的设计者也考虑了~~>9号信号--管理员信号-->无法设定自定义捕捉动作

2.如果我们将2号信号block,并且不断的获取并打印当前进程的pending信号集, 并突然发送一个2号信号,我们是不是可以看到pending信号集中, 有一个比特位0~>1

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <cassert>static void showPending(sigset_t pending)
{for (int sig = 1; sig <= 31; sig++){if (sigismember(&pending, sig))std::cout << "1";elsestd::cout << "0";}std::cout << std::endl;
}void handler(int signum)
{std::cout << "捕捉了一个信号: " << signum << std::endl;
}int main()
{signal(2, handler);// 1.定义信号集对象sigset_t bset, obset;sigset_t pending;// 2.初始化sigemptyset(&bset);sigemptyset(&obset);sigemptyset(&pending);// 3.添加要屏蔽的信号sigaddset(&bset, 2);// 4.设置set到对应进程内部(默认情况,进程不会对任何信号进行block)int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &bset, &obset);assert(n == 0);(void)n;std::cout << "block 2号信号成功, pid: " << getpid() << std::endl;// 5.重复打印当前进程的pending信号集int count = 0;while (true){// 获取当前进程的pending信号集sigpending(&pending);// 显示pending信号集中,没有被递达的信号showPending(pending);sleep(1);count++;if (count == 15){// 默认情况下,恢复对于2号信号的block的时候,进行递达,// 但是2号信号的默认处理动作是终止进程// 需要对2号信号捕捉int n = sigprocmask(SIG_SETMASK, &obset, nullptr);assert(n == 0);(void)n;std::cout << "解除2号信号block成功" << std::endl;}}return 0;
}

​​​​​​​

3.如果我们对所有的信号进行block--我们是不是就写了一个不会被异常或者用户杀掉的进程?

  1. SIGKILL (9): 这是用来强制终止进程的信号，它可以无视进程的阻塞状态直接终止进程。

  2. SIGSTOP (19): 发送这个信号会暂停目标进程的执行，无法被阻塞。

  3. SIGCONT (18): 发送这个信号会恢复已经被暂停的进程

这些信号的特殊性在于它们无法被进程阻塞或忽略，甚至在进程安装了信号处理函数（signal handler）进行处理时也不例外。这确保了在需要强制终止或暂停进程时能够始终生效。

4.信号的捕捉

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signum)
{cout << "获取了一个信号:" << signum << endl;
}int main()
{struct sigaction act, oact;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_handler = handler;// 设置进当前进程的PCB中sigaction(2, &act, &oact);cout << "default action:" << (int)oact.sa_handler << endl;while (1) sleep(1);return 0;
}

5.sigchild

SIGCHLD 是一个由操作系统发送给父进程的信号，用于通知父进程一个子进程已经终止或暂停。当一个子进程变为僵尸进程（zombie process）时，操作系统将会发送 SIGCHLD 信号给父进程。父进程可以通过捕获 SIGCHLD 信号并调用 wait() 或 waitpid() 等函数来处理子进程的终止状态，避免僵尸进程的积累。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;void handler(int signum)
{cout << "获取到了一个信号: " << signum << endl;
}int main()
{signal(SIGCHLD, handler);if (fork() == 0){sleep(1);exit(1);}while (true)sleep(1);return 0;
}

子进程退出后,父进程收到信号(父进程对其捕捉)

--不想等待子进程 + 子进程退出之后, 自动释放僵尸子进程:SIG_IGN

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;int main()
{//不想等待子进程 + 子进程退出之后, 自动释放僵尸子进程signal(SIGCHLD,SIG_IGN);if (fork() == 0){cout << "child: " << getpid() << endl;sleep(5);exit(0);}while (1){cout << "parent:" << getpid() << "执行自己的任务"<< endl;sleep(1);}
}

OS默认的忽略 ~~> 不回收子进程(忽略程度较低, OS拿不准是否真的忽略)

用户使用忽略~~>告诉OS需要忽略~~>回收子进程

补充

核心转储

--core dump标志: 代表是否发生了核心转储

--核心转储:当接受到信号退出的时候(进程出现某种异常), 将数据dump到磁盘上-->主要是为了调试

一般而言,云服务器(生产环境)的核心转储是被关闭的,(可用ulimit -a 查看当前环境的资源配置)

原因:若写的服务出现异常，且机器自带重启，没过多久，磁盘上就会充满dump来的数据

volatile

作用: 避免编译器优化,让内存中的flag不可见

编译器有时候会自动给我们的代码进行优化:在main函数中没有任何语句是修改flag的,程序启动的时候,直接将flag的值放入CPU中的edx中,while循环做检测的时候,直接检测edx中的(不再检测内存中的flag), 下面这段代码修改的是内存中的flag, 但是检测的是edx中的

加上volatile,可避免编译器的优化

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