操作系统:信号究竟是什么?如何产生?

OS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:

  • 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。

c 复制代码
#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!

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:

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。

bash 复制代码
 #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!!

c 复制代码
#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】:

【发送2号信号效果】:

  • 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!

c 复制代码
 //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

c 复制代码
#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】:

  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)。
c 复制代码
#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。
c 复制代码
#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)

c 复制代码
#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】:

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。

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。

c 复制代码
//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!

c 复制代码
#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】:

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