操作系统——信号

灿烈♡2024-06-16 19:11

将信号分为以上四个阶段

1.信号注册：是针对信号处理方式的规定，进程收到信号时有三种处理方式：默认动作，忽略，自定义动作。如果不是自定义动作，这一步可以忽略。这个步骤要使用到signal/sigaction接口

2.信号产生：就是操作系统向进程发出信号

3.信号保存

4.信号捕捉处理

信号有哪些

1-31是普通信号 34-62是实时信号

Action列指的是当信号被发送到一个进程时，默认操作系统采取的动作。具体的动作类型和含义如下：

  1. Term (Terminate)：

    • 终止进程。此操作表示操作系统将结束进程的执行。这是大多数信号的默认动作。

  2. Core (Terminate and Dump Core)：

  3. Ign (Ignore)：

    • 忽略信号。进程接收到信号时，操作系统不会采取任何动作，也不会通知进程。

  4. Stop：

    • 停止进程的执行。进程被暂停，直到接收到继续信号（如SIGCONT）。

  5. Cont (Continue)：

    • 继续执行被停止的进程。此操作恢复一个之前被暂停的进程的执行。

理解信号

信号和生活中的信号是一样的。例如下课铃声就是一个信号，上学的第一天，老师会告诉我们下课铃声响起的时候就可以下课休息------信号规定。当一节课的下课铃声响起，我们收到这个信号，但是老师想拖堂，我们先将这个信号保存到大脑，等老师讲完才会对下课信号处理。从下课铃声响起到真正下课这段时间就是时间窗口。信号产生了并不代表现在就要处理，进程会选择在合适的时间进行处理。

信号注册

signal

signal是将signum这个信号的处理方式进行自定义

注意：信号9和信号19不可以修改，因为进程终止和停止的权利必须由操作系统掌握

例子：

将信号1自定义捕捉

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;
void fun(int signum)
{
    cout << "get signum" << signum << endl;
}

int main()
{
    signal(1,fun);
    while(1)
    {
        cout << "process running pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

运行程序发送信号1

sigaction

了解信号保存信号处理后再了解这个接口！！！！

sigaction结构体中，第一个是自定义动作函数指针，第三个是处理信号时要屏蔽的信号，其他的暂时不考虑。

act表示信号处理的方式，oact表示之前信号处理的方式。

例子：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

using namespace std;

void PrintPend(sigset_t& set)
{
    for(int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
        if(sigismember(&set, signo)) cout << 1;
        else cout << 0;
    }
    cout << endl;
}
void header(int sig)
{
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    while(1)
    {
        sigpending(&set);
        PrintPend(set);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    struct sigaction act,oact;
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaddset(&act.sa_mask, 4);
    sigaddset(&act.sa_mask, 5);
    act.sa_handler = header;
    sigaction(SIGINT, &act, &oact);

    while(1)
    {
        cout << "process running:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3 4 5 信号都被屏蔽了，处理信号的过程发送信号只会先保存

当操作系统处理信号调用自定义动作时先将对应信号pend置为0，为了防止信号的嵌套处理，还会自动将当前信号屏蔽。

sa_mask可以自己设置要屏蔽的信号

信号发送

什么是信号发送

信号是由OS向进程发送的，信号就一定保存在进程中。普通信号有31个，以位图的形式储存到进程PCB的一个int类型中。实时信号与普通信号的区别就是：实时信号收到后必须立即处理不会等待，实时信号是存储在进程的一个队列中。所以发信号就是操作系统修改对应的int值或者队列

信号发送方式

键盘组合键

例如：

ctrl+c，信号2中断进程

ctrl+\，信号3退出进程

键盘组合键是怎么发出信号的呢？

原理

键盘写入完毕后，会向CPU发送硬件中断包括中断号，CPU告诉操作系统，操作系统通过中断号到中断向量表寻找中断号所对应的方法地址，使用该方法将键盘缓冲区的数据写到OS缓冲区，操作系统拿到数据后对进程发出信号

另外，键盘只能向前台进程（哪个进程能获取键盘输入，哪个进程就是前台进程）发送信号。Linux中一个登录只能有一个前台进程，可以有多个后台进程。

当我们./运行一个程序时，前台进程就是正在运行的程序，ctrl+c就会终止当前进程。

如果在运行时./后面加上&，当前进程就会以后台进程的方式运行，ctrl+c无效。因为前台进程是bash，此时键盘任何输入都会给bash，也就意味着这时可以使用命令行

kill命令

kill signum PID

系统调用接口

kill

向其他进程发送信号

样例：

写一个可以给其他进程发信号的程序

cpp 复制代码 
//myprocess.cc
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
    while(1)
    {
        cout << "process: " << getpid() << " running" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

//mykill.cc
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>


using namespace std;
void Usage(const char* argv)
{
    cout << argv << " pid " << "sig" << endl;
}

int main(int argc, const char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
    }
    else{
        int n = kill(stoi(argv[1]), stoi(argv[2]));
        if(n == -1)
        {
            perror("kill fail");
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

raise

向当前进程发送信号

实际上调用了kill接口，相当于kill(getpid(), sig)

abort

让当前进程终止

实际上调用了kill接口，相当于kill(getpid(), 6)

注意：信号6是由其他进程发来的，不会让进程退出

alarm

在设定时间过后，发送信号

返回前一个定时器的剩余时间（以秒为单位），如果之前没有设置定时器，则返回0

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;
void fun(int sig)
{
    int n = alarm(5);
    cout << "get alarm" << "time:" << n <<endl;
}

int main()
{
    //alarm收到信号后默认退出进程，进行自定义信号捕捉
    signal(SIGALRM, fun);
    alarm(5);
    while(1)
    {
        cout << "process running" << endl;
        sleep(1);
    }
}

异常

例如遇到除0错误时，CPU在运算的过程中出现错误，会将这个情况告诉操作系统，再由操作系统给进程发信号，中断进程。操作系统即是硬件设备的管理者也是进程的管理者

如果将这个信号自定义捕捉，并且捕捉的动作不会让进程退出，会怎么样呢？

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;
void fun(int signum)
{
    cout << "get signum" << signum << endl;
    sleep(1);
}

int main()
{
    signal(8,fun);
    int a= 1/0;
    return 0;
}

操作系统会一直给进程发信号。因为进程收到信号未关闭，进程会一直被CPU调度运行，一直出现错误。

信号保存

信号有几种状态：

递达(delivery):实际执行信号的处理动作

未决(panding):从信号被发出到递达之间的状态

阻塞(block):进程可以阻塞某个信号，当该信号别发出时，不会递达，只有当信号解除阻塞时才会递达

阻塞和忽略不同，忽略是递达后的处理方式

信号保存主要就是通过阻塞实现的

信号在内核中的表示：

block位图表示信号是否被阻塞，pending位图表示信号是否发出，handler是函数指针数组，存储了信号的处理方法，SIG_DFL是默认方法,SIG_IGN是忽略,还可以指向用户区自己定义的方法。

操作系统提供了block(阻塞信号集/信号屏蔽字)和pending(未决信号集)的数据类型sigset_t还有相应的系统调用接口

信号集操作接口

sigemptyset将所有标志位都置为0，sigfillset将所有标志位都置为1

sigaddset/sigdelset ：增加/删除signum信号所对应的位置

sigismember检测signum在set中是否为1

修改屏蔽信号字接口

how可以以下有几个值：

SIG_BLOCK:set中包含了希望添加到当前屏蔽信号字的信号

SIG_UNBLOCK:set包含了希望从当前屏蔽信号字删除的信号

SIG_SETMASK:将屏蔽信号字设置为set

set就是用来更改信号屏蔽字的屏蔽字参数，oset用来存储更改信号屏蔽字之前的屏蔽字参数

显示未决信号集的接口

将未决信号集拷贝到set

实例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void hander(int sig)
{
    cout << "get signal:" << sig << endl;
}

int main()
{
    signal(2,hander);
    sigset_t set, oset;
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    sigaddset(&set, SIGINT);
    //设置屏蔽信号字
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
        
    int cnt = 5;
    while (1)
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);
        //展示未决信号集
        for (int i = 31; i >= 1; i--)
        {
            if (sigismember(&pending, i))
                cout << "1";
            else
                cout << "0";
        }
        cout << endl;
        sleep(3);

        cnt--;
        if(cnt == 0)//解除屏蔽信号字
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);
        }
    }

    return 0;
}

注意，和信号捕捉一样，信号9和信号19不可以被阻塞

信号处理

什么时候处理

结论：当进程从内核态变为用户态，操作系统会进行信号的检测和处理。

内核态:进程访问操作系统的代码和数据

用户态:进程访问自己的代码和数据

CPU中有一些寄存器的标志位可以区分进程在哪个态。有几个进程就有几个用户级页表，而内核级页表只有一个，不管进程怎么切换，每个进程看到的内核空间都是一样的。从进程的角度看，调用系统调用接口，就是在自己的进程地址空间调用。从操作系统的角度看，在任意时刻，只要有进程运行就可以随时调用系统调用接口。

怎么处理

当进程进入内核态(例如调用了系统调用接口)，在执行系统调用操作后，会检查是否有可以递送的信号并进行处理然后返回用户态，如果是处理自定义的动作信号，就会先从内核进入用户态(因为用户态下，处理函数做非法操作会被操作系统拦截，保证了安全性)，调用信号处理函数，再回到内核态，最后返回用户态，从主控制流程上次中断的地方继续执行

信号与进程等待

子进程退出会向父进程发送信号SIGCHLD，不过这个信号默认处理方式时忽略的，可以通过自定义捕捉对进程回收。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <time.h>

using namespace std;
void header(int sig)
{
    pid_t rid;
    while((rid = waitpid(-1,nullptr,WNOHANG)) > 0)
    {
        cout << "wait :" << rid << " success" << endl;
    }
}

int main()
{
    srand(time(nullptr));
    signal(SIGCHLD, header);
    // 创建10个子进程
    for (int i = 10; i > 0; i--)
    {
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            cout << "I am child:" << getpid() << endl;
            sleep(rand() % 2 + 1);
            cout << "child quit:" << getpid() << endl;
            sleep(rand() % 2 + 1);
            exit(0);
        }
        sleep(rand() % 3 + 3);
    }

    while(1)
    {
        cout << "I am father:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

事实上,由于UNIX 的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作 置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不 会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽 略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略 通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证 在其它UNIX系统上都可 用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程。

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