Linux---信号

HaiFan.2024-02-05 8:08

前言

到饭点了，我点了一份外卖，然后又开了一把网游，这个时候，我在打游戏的过程中，我始终记得外卖小哥会随时给我打电话，通知我我去取外卖，这个时候游戏还没有结束。我在打游戏的过程中需要把外卖会打电话这件事给记录下来，这就是信号的保存。当外卖送到的时候我要去取外卖，这就是信号的处理过程。这个取外卖的过程，就是完整的信号的产生到处理的过程。

而我们的进程必须能够识别和处理信号，即使信号没有产生，也要具备处理信号的能力，信号的处理能力，属于进程内置功能的一部分。进程在运行的时候，如果没有收到信号，也能知道哪些信号该怎么处理，当进程真的收到了一个具体的信号的时候，进程可能并不会立即处理这个信号。一个进程必须当信号产生，到信号开始被处理，就一定会有时间窗口，进程具有临时保存哪些信号已经发生了的能力。

信号

当我们写了一个死循环的时候，在只开启一个终端的情况下，一般会使用 ctrl + c来结束这个进程。

那么我们使用 ./process &(./可执行程序 &就变成了后台进程) 来运行程序呢？这个时候你会发现 ctrl + c不能结束程序了。可以使用 kill -9 PID来结束这个进程。

ctrl + c只能结束前台进程。而 ./process &是一个后台进程，ctrl + c不能结束进程。前台进程和后台进程的区别就是，谁能或者键盘资源，当上面的死循环采取前台方式运行的时候，bash就变成了后台进程。当我们以后台进程的方式运行程序的时候，ctrl + c是发送给bash的，这个根本没有接收到ctrl + c的信号，所以不能结束进程。

Linux中，一次登陆中，一个终端，一般会配上一个bash，每一个登录，只允许一个进程为前台进程。可以允许多个进程为后台进程

1.Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&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。

  1. 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到像 Ctrl-C 这种控制键产生

的信号。

  1. 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

(Asynchronous)的。

4.ctrl + c的本质就是给进程发送信号

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断

通过 kill -l可以查看所有的内置信号

这些信号都是宏定义，其中1~31号信号为普通信号。 34~64为实时信号。

一个信号一旦产生，可以不立即处理的是普通信号，实时信号则是信号产生就需要立即处理。

信号的处理方式

信号的处理方式

  1. 默认动作
  2. 忽略
  3. 自定义动作(捕捉)

比如所上面写的死循环程序，我是用ctrl + c来结束这个程序，进程收到了2号信号的默认动作，就是终止自己。

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

signum:一个信号

handler:自定义信号

这个函数就是用来修改进程对信号的默认动作

现在，我写一个死循环，如果我按ctrl + c可以结束这个程序，现在，我修改2号信号，使ctrl + c不结束这个程序。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

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

int main()
{
    signal(SIGINT, handler);
    while (true)
    {
        std::cout << "while 循环" << std::endl;
        sleep(2);
    }

    return 0;
}

运行程序之后，ctrl + c变成了signal SIGINT，而不是结束进程，这个时候要退出可以用 kill -9 PID

信号的三种处理方式，必须选择其中一个。

上面代码中，signal这个函数只要设置了，在这个代码中，只要使用都有效。

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断

当然，不是所有的信号可以被捕捉。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

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

int main()
{
    signal(SIGSTOP, handler);
    while (true)
    {
        std::cout << "while 循环" << std::endl;
        sleep(2);
    }

    return 0;
}

比如这个19号信号。

可以做一个小试验，看看哪些信号可以被捕捉。

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

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

int main()
{
    for (int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        signal(i, handler);
    }
    
    for (int i = 1; i <= 31; i++)
    {   
        if (i != 9 && i != 19)
            kill(getpid(), i);
    }

    return 0;
}

实验之后可以发现，只有9 和 19不能被捕捉。如果说某个程序失控了，9号和19号信号被捕捉了，不能结束进程，这个时候可就麻烦了。

kill命令

通过kill命令也可以产生信号

参数1：进程的pid
参数2：信号
返回值
    成功返回0，失败返回-1

可以在代码中使用kill命令，杀死进程。

硬件异常产生信号

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。例如当前进程执行了除以0的指令,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。再比如当前进程访问了非法内存地址,,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int a = 10 / 0;
    return 0;
}

这个进程退出了，是因为接收到了一个信号而退出的。为什么接收到这个信号会退出？因为退出是这个信号的默认动作。

通过 man 7 signal可以查看信号的详情

8号信号跟我们的程序退出之后所输出的字符串是一样的，可以做一个实验来验证是否收到了8号信号。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void handler(int signo)
{
    std::cout << "signal :" << signo << std::endl;
}

int main()
{
    signal(8, handler);
    int a = 10 / 0;
    return 0;
}

果然收到了8号信号，因为我对八号信号进行了捕捉，所以当系统向进程发出8号信号的时候，就执行的是我所定义的行为，而不是直接结束进程。

我们也可以模拟一下野指针异常

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void handler(int signo)
{
    std::cout << "signal :" << signo << std::endl;
}

int main()
{

    int *p = nullptr;
    *p = 200;

    while (1);
    return 0;
}

会报段错误，代码停止运行。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void handler(int signo)
{
    std::cout << "signal :" << signo << std::endl;
    sleep(3);
}

int main()
{
    signal(11, handler);
    int *p = nullptr;
    *p = 200;

    while (1);
    return 0;
}

我将11号信号进行一个捕捉。

发现，将11号信号进行捕捉之后，没有在执行系统的默认行为，执行的是我自定义的行为。当代码出现异常的时候，我们可以不将代码退出，将信号进行捕捉就行了。

由此可以确认，我们在C/C++中除零错误，内存越界等异常，在系统层面上，是被当作信号处理的。

软件条件产生信号

alarm函数和SIGALRM信号

#include <unistd.h>
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。

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。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 <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    
    int n = alarm(5);
    std::cout << "return alarm" << n << std::endl;

    while (true)
    {
        std::cout <<"helloworld" << std::endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

为什么这个代码跟前面的信号不一样？一旦出现错误，执行自定义的行为，会不停的执行。因为这个闹钟不是错误。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    
    int n = alarm(5);
    std::cout << "return alarm 1 " << n << std::endl;
    sleep(2);
    n = alarm(3);
    std::cout << "return alarm 2 "  << n << std::endl;

    while (true)
    {
        std::cout <<"helloworld" << std::endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

可以看一下函数的返回值，再结合上面对函数返回值的解析理解一下。

Core Dump

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。

Core Dump

首先解释什么是Core Dump。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,这叫做Core Dump。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,这叫做Post-mortem Debug（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(这个信息保存 在PCB中)。默认是不允许产生core文件的,因为core文件中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命令改变这个限制,允许产生core文件。 首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K: $ ulimit -c 1024

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int a = 10 / 0;
    while (true)
    {
        std::cout <<"helloworld" << std::endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

我们自己写了一个除零错误的代码，然后编译，运行，会发现有一个core.数字的文件名。

然后通过gdb调试功能，可以直接看到因为什么出现的错误。错误在哪一行等信息。

如果以后代码出现了问题，我们可以先运行，然后利用core调试，可以直接定位到错误的地方，这被称为事后调试。

core dump功能一般是被关掉的，因为如果服务器挂了，系统会自动重启，先让服务器启动起来，如果服务器起来就挂，系统继续重启，计算机的速度也是非长快的，如果挂了+重启进行一晚上，core文件会有很多，那么这就会造成磁盘满的情况，这个时候操作系统可能就会挂了。

阻塞信号

信号其他相关常见概念

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。

在内核中表示

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。本章不讨论实时信号

sigset_t

这是一个位图结构，从上面的图来看，每个信号只有一个bit的未决标志，0或者1，不记录信号产生了多少次，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称为信号机，这个类型可以表示每个信号的状态，阻塞信号集中，状态决定该信号是否被阻塞未决信号集中，状态的含义是该信号是否处于未决状态。上面的表是内核数据结构，我们并不能直接的去修改block，pending，handler这是三张表，所以操作系统提供了系统调用接口。

信号集操作函数

#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);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

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。

这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。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。

sigprocmask

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)

#include <signal.h>
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 。

|-------------|------------------------------------------------|
| SIG_BLOCK | set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask=mask|set |
| SIG_UNBLOCK | set包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于mask=mask&~set |
| SIG_SETMASK | 设置当前信号屏蔽字为set所指向的值，相当于mask=set |

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 <signal.h>
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。

下面用刚学的函数做个实验。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

using namespace std;


void PrintPending(sigset_t &pending)
{
    // 这里不能对位图进行位操作，可以用sigismember
    for (int i = 1; i < 32; i++)
    {
        if (sigismember(&pending, i))
        {
            cout << "1";
        }
        else 
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    // 1.先对2号信号进行屏蔽
    sigset_t bset;
    sigset_t oldset;
    sigemptyset(&bset); // 将bset进行清空。
    sigemptyset(&oldset);
    sigaddset(&bset, 2); // 这个函数并不会把2号信号屏蔽，因为sigset_t定义出来的bset变量位于栈区，栈区是用户区，此时只是在自己的空间把变量修改了
    // 并没有进入到内核。所以才需要sigprocmask


    // 调用系统调用屏蔽信号
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oldset); // 这里把2号代码屏蔽了吗？屏蔽了。这个函数才能把我们上面进行的操作对内核完成修改。

    // 重复打印当前进程的pending
    sigset_t pending;
    while (true)
    {
        int n = sigpending(&pending);
        if (n < 0)
        {
            continue;
        }


        PrintPending(pending);
        sleep(2);
    }
}

此时为全0，但我发发送2号信号的时候。

会发现，2号位置变成了1。

解除信号屏蔽

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

using namespace std;


void PrintPending(sigset_t &pending)
{
    // 这里不能对位图进行位操作，可以用sigismember
    for (int i = 1; i < 32; i++)
    {
        if (sigismember(&pending, i))
        {
            cout << "1";
        }
        else 
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    // 1.先对2号信号进行屏蔽
    sigset_t bset;
    sigset_t oldset;
    sigemptyset(&bset); // 将bset进行清空。
    sigemptyset(&oldset);
    sigaddset(&bset, 2); // 这个函数并不会把2号信号屏蔽，因为sigset_t定义出来的bset变量位于栈区，栈区是用户区，此时只是在自己的空间把变量修改了
    // 并没有进入到内核。所以才需要sigprocmask


    // 调用系统调用屏蔽信号
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &bset, &oldset); // 这里把2号代码屏蔽了吗？屏蔽了。这个函数才能把我们上面进行的操作对内核完成修改。

    // 重复打印当前进程的pending
    sigset_t pending;
    int cnt = 3;
    while (true)
    {
        int n = sigpending(&pending);
        if (n < 0)
        {
            continue;
        }


        PrintPending(pending);
        sleep(1);

        // 解除屏蔽
        if (!cnt)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, nullptr);
        }
        cnt--;

    }

    return 0;
}

我们可以将所有信号都进行屏蔽，信号不就不会被处理了吗？

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

using namespace std;

void PrintPending(sigset_t &pending)
{
    // 这里不能对位图进行位操作，可以用sigismember
    for (int i = 1; i < 32; i++)
    {
        if (sigismember(&pending, i))
        {
            cout << "1";
        }
        else
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    sigset_t newset, oldset;
    sigemptyset(&newset);
    sigemptyset(&oldset);

    for (int i = 1; i < 32; i++)
    {
        sigaddset(&newset, i);
    }
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &newset, &oldset);
    sigset_t pending;
    while (true)
    {
        int n = sigpending(&pending);
        if (n < 0)
        {
            continue;
        }
        PrintPending(pending);
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

发现到9号信号的时候，会直接杀死进程，9号信号并没有被屏蔽。

19号信号也没有被屏蔽。

普通信号中，只有9号和19号没有被屏蔽。

在执行代码的时候，系统不仅仅会跑我们自己写的代码，系统还会跑库，和系统提供的程序，在一些情况下，系统是会进行用户的切换的，典型的是当我们进行系统调用的时候会由用户态到内核态，将系统调用接口进行执行。当我们的进程从内核态返回到用户态的时候，会进行信号的检测和处理。

内核如何实现信号的捕捉

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。 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。 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。 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。 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,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

sigaction

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回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

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout << "signo " << signo << endl;
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    memset(&act, 0 , sizeof(act));
    memset(&oact, 0 , sizeof(oact));

    act.sa_handler = handler;
    sigaction(2, &act, &oact);

    while (true)
    {
        cout << "i am a process: " << getpid() << endl; 
        sleep(2);
    }

    return 0;
}

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。 sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数。

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