【探索进程信号】：信号捕捉

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目录

异步与同步：

信号的产生

前台进程与后台进程

什么叫做给进程发信号

信号vs通信IPC

信号产生方式

用户产生信号

系统产生信号

软件产生信号

信号处理

默认处理方式

自定义信号处理函数

捕捉信号

捕捉信号的过程

重谈捕捉

用户态与内核态

硬件中断

软件中断

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信号：闹钟，红绿灯，上课铃声...

什么叫做信号：中断我们人正在做的事情，是一种事情的异步通知机制

换做进程就是：信号是一种给进程发送的，用来进行事件异步通知单独机制

异步与同步：

我在上课，快递到了，让张三去拿，在张三回来之前，先自习，回来之后再继续讲--- 同步

我在上课，快递到了，让张三去拿，课程不因为张三而停止，继续上课----异步

也就是说，进程1的运行不会影响到进程2，这就是异步，会影响到就是同步

基本结论：

1. 信号处理，进程在信号没有产生的时候，早就知道信号该如何处理了。

2. 信号的处理，不是立即处理，而是可以等到合适的时候，再进行信号的处理

3. 人能识别信号，是提前被教育过，OS程序员设计的进程，在进程内部内置了对于信号的识别和处理方式

4. 信号源非常多---给进程产生信号的信号源，也非常多

信号的产生

• 键盘产生

如：ctrl+c是给目标进程发送信号的。相当一部分信号的处理动作，就是让自己终止。

1-31是普通信号，即可以不被立即处理的信号

32-64是实时信号，需要被立即处理的信号

• 普通信号的处理：

1. 默认处理动作---红灯亮的时候，停下来等

2. 自定义信号处理---红灯亮的时候，跳舞

3. 忽略处理---红灯亮的时候，继续走，不管红灯

前台进程与后台进程

./XXX ---前台进程

./XXX &---后台进程

• 前台进程：可以从标准输入中获取数据
• 后台进程：不可以从标准输入中获取数据。

这两者都可以向标准输出打印数据。

为什么后台进程不能从标准输入获取数据？

• 键盘只有一个，输入数据一定是给一个确定的进程的，这个确定的进程就是前台进程，前台进程的本质就是从键盘获取数据

前台进程只能有一个，后台进程可以有多个

查看所有的后台任务

• jobs

查看所有前台的任务

• fg + 进程号(任务号)

将前台进程放到后台

• ctrl + z

前台进程只能有一个，它是用来接收用户输入的数据的，所以前台进程不能暂停，一但暂停了，OS就会把他移到后台

让被被暂停的后台进程恢复运行

• bg+任务号

什么叫做给进程发信号

信号发送给进程后，会被保存在task_struct对象中的sigs中，以位图的结构进行保存。比特位的位置，就是信号的编号，比特位的内容，表示是否接收到信号

• 发送信号的本质：向目标进程写信号，修改位图！只要直到进程的pid与信号编号就行。

但是我们知道，信号是写到taskstruct中的，而taskstruct是内核中的数据结构对象，所以修改位图的本质：修改内核的数据。而内核数据用户自己是无法修改的，所以最终还是由OS来修改，所以，OS必须提供发送信号的系统调用。

kill就是封装了系统调用的c语言程序

不管信号是怎么产生的，发送信号在底层，必须让OS发送

信号vs通信IPC

• 信号是人通过操作系统与进程交流
• 通信IPC是进程与进程之间进行通信

信号产生方式

用户产生信号

用户通常可以在终端中按下特定的组合键来产生信号

如：

ctrl+c：产生 SIGINT 信号，用于中断当前正在运行的进程

ctrl+ \：产生 SIGQUIT 信号，不仅会终止进程，还会生成核心转储文件

使用 kill 命令：用户可以使用 kill 命令向指定进程发送信号

系统产生信号

1. 进程异常：当进程发生异常时，如段错误（访问非法内存地址）、除零错误等，系统会向该进程发送相应的信号
2. 段错误：即野指针的访问
3. ：当进程执行除法运算时，如果除数为零，会产生除零错误，系统会向该进程发送 SIGFPE 信号。(浮点信号)
4. 系统资源相关：当系统资源达到一定阈值时，也可能产生信号。例如，当进程使用的内存超过了系统限制时，系统可能会发送 SIGKILL 信号来终止该进程，以防止系统内存耗尽。不过，这种情况通常需要系统进行相关的配置和监控。

软件产生信号

使用 kill 函数：在C 语言编程中，可以使用 kill 函数向指定进程发送信号。

使用 raise 函数：进程可以使用 raise 函数向自身发送信号。

信号处理

默认处理方式

每个信号都有一个默认的处理方式，常见的默认处理方式包括：

1. 终止进程：如 SIGINT、SIGTERM 等信号的默认处理方式是终止进程。

2. 生成核心转储文件并终止进程：例如 SIGQUIT 信号，在终止进程的同时会生成核心转储文件，该文件包含了进程在收到信号时的内存状态等信息，可用于调试程序。

3. 忽略信号：有些信号（如 SIGCHLD，子进程状态改变时发送给父进程的信号）的默认处理方式是忽略。

自定义信号处理函数

进程可以通过调用 signal 函数或 sigaction 函数来设置自定义的信号处理函数

其中，signum 是信号编号，handler 是指向信号处理函数的指针。

捕捉信号

产生信号后，如果不需要立即处理则会将信号保存，等到合适的时候在处理
这个合适的时候是什么时候？

捕捉信号的过程

• 如果信号的处理是用户的自定义函数，则在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号

在进程执行时，有时候会因为某些原因，进入到操作系统内部，如"系统调用"，进入OS内部后，处理完则会回到当时的代码处继续执行。当内核处理完后，回到代码处之前，OS会检查当前进程是否接收到信号与该信号是否被block，如果收到信号且没被block，OS就直接进行信号处理

• 在进程从内核态回到用户态时，会进行信号检查

1. 内核态指的就是OS的身份。平时调用系统调用，在用户层调用系统调用，然后由OS执行系统调用
2. 用户态，平时写的代码，如for循环、while循环、各种方法，这些就是在用户态执行的

检查信号的接口是dosignal()。dosignal检查的就是block、pengding、handler这三张表。如果收到信号同时没被block并且是自定义处理的，则会跳转到用户态的用户自定义处理函数处，执行函数。执行完后再返回到内核，再由内核返回到当时的代码处。

在检查信号时，发现信号是忽略的(SIG_IGN)，则直接将Pengding表中对应的信号位写0，然后返回到代码处就行。

如果是默认的(SIG_DEF)，则直接执行默认处理方式就行。

重谈捕捉

当执行信号的自定义处理函数时，OS也要做身份的切换，从OS转换为用户为什么？

• 防止用户在自定义函数中，做非法操作，比如修改系统的配置文件

在执行完自定义处理函数时，是怎么回到内核的？

进程凭什么进入内核？

因为进程在执行时，会被cpu调度。而每个进程都是有自己的时间片的，当时间过后，就会被OS强制剥离下来。也就是说，是被OS强制进入的内核态的

用户态与内核态

硬件中断

操作系统是怎么运行的

1. 操作系统怎么知道键盘上有数据了

• 外部设备会与CPU特定的针脚进行间接的连接。比如键盘，当键盘被按下回车，就会向CPU发送硬件中断的东西

简单来说就是：外设发送高电频告诉中断控制器自己准备好了，中断控制器再生成对应的中断号，当cpu读取到这个中断号后，就去中断向量表里查找对应的方法并执行中断方法，读取数据，将数据搬到内存。也就是冯诺依曼体系

• 这个中断向量表IDT就是OS的一部分

OS再也不关注外设是否准备好，而是外设准备好后会通知cpu

硬件发中断与发信号类似：

发中断---发信号

保存中断---保存信号

中断号---信号编号

处理中断---处理信号、自定义捕捉

信号是纯软件的，它本质是在模拟硬件中断。信号与中断在思想上是打通的

当中断没来的时候，cpu在做什么

• 什么都没做，只是在不断暂停

在中断向量表中，有一个进程调度的中断服务

当时钟源发送中断给cpu对进程进行调度时，会检查进程的时间片是否结束，结束了就进行调度，没结束就直接返回

有没有可能因为软件的问题，也触发硬件中断的逻辑?

当进程执行自己的代码，执行到a/=0时，就会造成除0错误，导致硬件溢出。这种错误可以规定成为一种由cpu内部触发的中断。同时也会生成一个中断号。

但实际上这是由软件导致硬件中断

软件中断

• 上述外部硬件中断，需要硬件设备触发。

• 有没有可能，因为软件原因，也触发上面的逻辑?有!

• 为了让操作系统支持进行系统调用，CPU也设计了对应的汇编指令(int 或者 syscal),可以让CPU内部触发中断逻辑

软件中断（Software Interrupt）是一种由程序或操作系统主动触发的中断机制，用于实现进程间的通信、系统调用、异常处理等功能。与硬件中断不同，硬件中断是由外部设备（如输入设备、网络接口卡等）触发的，而软件中断则是程序内部通过特定的指令或操作触发的中断

当我们进行系统调用的时候，具体是怎么进入OS完成系统调用的。

在OS内部，有一张系统调用表，实际上就是一个函数指针数组，里面记录了系统调用。因为是数组，所以这些系统调都会有自己对应的下标，这些下标叫做"系统调用号"

在调用系统调用的时候，其实就是 syscalltable[n]。

当用户调用系统调用的时候，就是将系统号move到寄存器中，在调用INT 0x80来触发软件中断比如

int open()
{
  move n eax
  INT 0x80
}

OS接收到这个系统号，就回去系统调用表里查找对应的系统调用，然后执行系统调用。

所以OS不提供任何系统调用接口，只提供系统调用号。这些系统调用都是被glibc封装的

这些系统调用是用汇编实现的

• 操作系统就是躺在中断处理例程上的代码块！

• CPU内部的软中断，⽐如int0x80(32位下)或者syscall（64位下），我们叫做陷阱

• CPU内部的软中断，⽐如除零/野指针等，我们叫做异常。（所以，能理解"缺页异常" 为什么这么叫了吗？）

系统调用的过程，也是在进程地址空间上进行的。
所有的函数调用，都是在地址空间之间跳转