Linux 信号 - 技术栈

signum 是我们要自定义的信号**，handler** 是 void ( * )( int ) 类型的回调函数，该回调函数的功能需要我们自主实现。当进程的代码执行到该系统调用接口后，此时，如果我们在向该进程发送 signum 信号的话，进程执行的就是 handler 函数中的代码~~

示例：

3.信号的底层机制

情景：当前台进程正在运行时，我们输入的 Ctrl + C 是如何终止进程的？或者说，我们输入 Ctrl + C后，OS底层都做了哪些事？

首先，OS如何知道外设的数据输入？？------ 中断技术

当硬件设备有数据输入时，产生的光电信号经过8259表的特殊处理，会激活CPU上与该外设相连接的针脚，在CPU寄存器 上生成中断号 ，随后，OS通过该中断号遍历中断向量表 ，找到表上记录的相应硬件的处理方法，即OS会从键盘缓冲区读 取数据，并对读取的数据类型做判断，若其为组合的控制键 （如：Ctrl + c、Ctrl + v），则OS向前台进程发送对应的信号 ，若为普通的输入数据，则将其拷贝到指定的内存缓冲区上。

至于，当进程收到信号后，对信号的识别、存储和执行，咱们放在后文中细讲~~

但有一点需要先提一下：信号的本质就是用软件来模拟中断的行为！！

二.详解信号

1.信号的产生

a.键盘组合键

如：

Ctrl + c 向前台进程发送2号信号 ------ 其功能默认是终止进程

Ctrl + \ 向前台进程发送3号信号 ------ 其功能默认是终止进程

注意：9号（暂停进程）和19号（杀掉进程）不能被signal自定义捕捉！！

b.kill 指令和系统调用接口

① kill 指令

在命令行上，我们可以使用 kill -x + pid，通过目标进程的pid，向目标进程发送 x 号信号。

② kill() 系统调用接口

在代码中 ，我们可以使用 **kill(pid_t pid , int signal)**函数，通过进程的 pid，向目标进程发送 signal 号信号。若发送成功，返回0；发送失败，则返回-1.

为了能够灵活的指定目标进程的控制信号，我们可以通过用命令行参数的方式拿到目标进程的pid和控制信号，如：

运行效果：

③ raise() 系统调用接口

当代码执行到 raise(int signal)函数时，OS会向自身发送 signal 号信号。

c.硬件级异常问题产生信号

①除零报错

当源文件的代码有类似除零这样的运算错误时，可执行程序运行时报错的底层原理是什么？？

当可执行程序被加载到内存后，OS先将进程的 task_struct 放到运行队列 ，随后CPU执行程序代码，当CPU状态寄存器发现有除零操作时，其溢出标记位 直接被置为1，从而形成在硬件层面上的报错，作为硬件的管理者，OS会从CPU那里拿到错误信息，又作为进程的管理者，OS把CPU溢出标记位信息翻译成终止信号，最后向目标进程发信号将其终止掉。

②野指针报错

当程序中出现这样的代码时：int * p=nullptr; *p=1; 典型的野指针问题，程序运行出错（段错误），那么其底层的原理是什么？

nullptr 在进程地址空间 上的位置是0号地址 ，*p=1 是通过页表将1 写到**"与0号地址空间构成映射关系"** 的物理内存 上，但是，由于页表并未记录物理内存与地址空间上0号地址的映射关系 ，并且0号地址非法 ，所以当CPU通过MMU（内存管理单元，可以将虚拟地址翻译成物理地址）将值写入内存时，MMU报错，即硬件层面上的出错！！报错信息会被OS捕捉到，然后OS会向该进程发送终止信号，把该进程杀掉。

d.由软件条件产生信号

①匿名管道

进程间通信机制中，有个东西叫做匿名管道 （博主以前文章中有过详细讲解），当匿名管道的读端关闭，写端一直向管道内写入数据 的话，OS就会向该进程发送**13号信号（SIGPIPE）**干掉进程！

②闹钟

alarm() 函数是一个用于设置定时器的系统调用函数，它的主要功能是设置一个定时器（闹钟），当定时器时间到达时，内核会向当前进程发送14号信号（SIGALRM）信号。

总结：产生信号的方式可能有很多，但向进程发送信号的只能是OS！！

2.信号的发送

a.OS给进程发信号的实质

OS通过进程pid找到进程的PCB，然后将发送的信号写到进程PCB内的信号位图上，这就是OS给进程发送信号的本质。

那么问题来了，信号位图是什么？

我们知道，进程PCB在创建时，就已经内置了对信号的处理方法，即PCB需要具有识别、存储并执行每一种信号的能力，那么，这个能力是什么？？--- 进程PCB内有关信号的三张表

进程PCB内有关信号的三张表指的是什么？

① Pending表（未决信号集）

它本身是一个位图，其中，比特位的大小表示信号值 （如：位图的第8个比特位表示8号信号），比特位的内容表示进程是否收到对应信号 （如：位图的第8个比特位值为0，表示进程未收到8号信号；若值为1，则表示进程收到了8号信号），Pending 表的功能是用来记录当前进程收到了哪些信号。

② Block表（信号屏蔽集）

它也是一个位图，其中，比特位的大小表示信号值 ，比特位的内容表示对应信号是否被进程屏蔽。

注意信号屏蔽和信号忽略的区别

信号屏蔽 ：信号屏蔽是指进程对特定信号进行屏蔽，使得这些信号在发生时不会被立即处理 ，而是处于未决状态 。只有当进程的信号屏蔽集 发生改变，不再屏蔽这些信号时，这些信号才会被捕获并处理 。信号屏蔽是一种将信号处理进行延后的机制。

信号忽略：信号忽略则是指进程对特定信号进行忽略处理，即当这些信号发生时，进程会接收到信号，但不会对信号进行任何处理。需要注意的是，并非所有信号都可以被忽略，如SIGKILL和SIGSTOP等信号就不能被忽略。

③ handler表（信号处理函数表）

定义：handler表是一个映射表，它将信号的编号 （如SIGINT、SIGTERM等）与相应的处理函数 （这些处理函数可以是用户自定义的，也可以是系统默认的）建立映射关系。

作用：当进程接收到一个信号时，内核会暂停当前进程的执行，并根据信号的编号 在handler表中查找对应的处理函数。如果找到了处理函数，则执行该函数；如果没有找到（即该信号被忽略或未设置处理函数），则根据信号的默认行为进行处理。

④小结

实际执行信号的处理动作称为信号递达（handler）.

信号从产生到递达之间的状态称为信号未决（pending）.

进程可以选择阻塞某个信号（block）.

被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，暂时不递达（不处理），直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。

b.信号集操作函数

①有关sigset_t类型位图操作的函数接口

int sigemptyset( sigset_t* set); 功能：将set中所有比特位的值置为0

int sigfillset( sigset_t* set); 功能：将set中所有比特位的值置为1

int sigaddset( sigset_t* set , int signo); 功能：在set中添加信号signo

int sigdelset( sigset_t* set , int signo); 功能：在set中将信号signo删除

int sigismember( sigset_t* set , int signo); 功能：判断set中信号signo是否存在

②sigprocmask

③sigpending

int sigpending(sigset_t *set); 函数能够查询当前进程或线程的未决信号集（也就是Pending表的内容），并将该集合复制到set参数指向的信号集中。

sigpending() 函数通常与sigprocmask() 函数一起使用，以管理进程的信号屏蔽字和未决信号集合。例如，在更改进程的信号屏蔽字之前，可以使用sigpending() 函数查询当前的未决信号集合，以便在之后恢复信号屏蔽字时能够正确处理这些未决信号。

c.屏蔽进程的指定信号（代码实战）

3.信号的处理

我们已经知道：OS向进程发送信号的实质是将信号写入进程PCB中的Pending表。那么，进程是在什么时候执行信号的具体功能的呢？--- 进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号的检测和信号的处理。

那么，什么是内核态？什么又是用户态？进程又是如何从内核态返回到用户态的呢？

a.用户态和内核态

用户态和内核态是操作系统中的两种重要状态，它们分别代表了不同的运行级别和权限范围。

用户态： 用户态是用户程序运行时的状态，在这种状态下，CPU只能执行非特权指令 ，不能直接访问内存 等硬件设备 ，也不能执行特权操作 ，如修改系统配置、访问其他进程的内存 等。用户态下的程序运行在用户空间，其资源访问权限受到严格限制，**只能访问自己的[0 , 3GB]空间，**以确保系统的安全性和稳定性。

内核态 ：内核态是操作系统内核运行时的状态，在这种状态下，CPU可以执行所有的指令，包括特权指令，可以访问所有的内存地址和硬件设备 ，拥有最高的权限。内核态下的程序运行在内核空间，负责管理系统资源、处理硬件事件、提供系统服务等。

b.用户态和内核态间的切换方式

①系统调用

用户态进程通过系统调用请求操作系统提供服务时，会触发从用户态到内核态的切换，系统调用是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式。

②抛异常

当CPU在执行用户态下的程序时，如果发生某些事先不可知的异常（如缺页异常），会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，从而转到内核态。

③中断

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，会暂停执行当前的用户态程序，转而执行与中断信号对应的内核中断处理程序，从而完成从用户态到内核态的切换。

c.重谈地址空间

就如曾经的库函数调用一样，调用系统调用接口，也是在进程的地址空间上进行的！！

操作系统的朴素理解：就是基于一个时钟中断的死循环！！