Linux学习笔记（十六）--进程信号

信号量

互斥：任何时候只允许一个执行流访问共享资源

临界资源：共享的，任何时刻只允许一个执行流访问的资源叫做临界资源，一般是内存空间（例如管道）

临界区：访问临界资源的代码

信号量：是同步与互斥工具。用于协调多个进程或线程对共享资源的访问顺序，防止数据竞争。是一种"资源计数器"和"访问许可证"。

核心定义

信号量是一个特殊的计数器，用于控制多个执行流（进程/线程）对共享资源的访问。其核心操作（P操作和V操作）是原子操作，意味着在执行过程中不会被中断，从而保证了操作的唯一性和正确性。

工作原理

P操作（等待/尝试）

功能：尝试申请一个资源。信号量的值（计数器）减1。

行为：如果减1后，信号量的值大于等于0，则进程/线程继续执行，获得资源访问权。如果减1后，值小于0，则说明当前无可用资源，该进程/线程被阻塞，进入等待队列，直到有其他进程执行V操作释放资源后将其唤醒。

V 操作 (增加/发信号)：

功能：释放一个资源。信号量的值加1。

行为：执行加1后，如果信号量的值大于0，说明没有进程在等待。如果值小于等于0，说明之前有进程在等待，此时会唤醒等待队列中的一个进程。

信号量类型

二元信号量 (Binary Semaphore)：其值只能是0或1。本质上等同于互斥锁 (Mutex)，用于实现资源的互斥访问（一次只允许一个执行流进入临界区）。

计数信号量 (Counting Semaphore)：其值可以大于1。用于控制对多个同类资源实例的并发访问（例如，一个有5个插座的充电站，信号量初始值为5）。

System V信号量

核心概念

信号量集

这是 System V 信号量的核心。它不是单个的计数器，而是一个信号量数组。当你创建一个信号量时，你创建的是一个包含多个（默认为 1 个）信号量的集合。你可以对这个集合中的任何一个信号量进行独立操作，也可以进行原子性的集合操作。

键值

一个唯一的键（通常是 key_t类型），用于在不同进程间标识同一个信号量集。最常用的生成键值的方法是 ftok函数。

信号量值

每个信号量本质是一个非负整数。其经典含义是：> 0： 表示可用资源的数量。= 0： 表示资源已被用完。其值不能为负（但在某些操作的"等待"语义下，进程会阻塞直到值变为正数）

等待​ 和 发信号​ 操作

这是操作信号量的两个基本原语，通常被称为 P 操作​ 和 V 操作。

P 操作： 尝试将信号量的值减 1。如果值大于 0，则成功减 1 并立即返回。如果值等于 0，则调用进程阻塞，直到信号量值变为大于 0。

V 操作： 将信号量的值加 1。如果有其他进程正在因为这个信号量而阻塞，其中一个会被唤醒。

主要系统调用

semget

功能：根据 key创建新的或获取已有的信号量集。

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

参数：（1）key： 信号量集的键值。可以使用 IPC_PRIVATE创建一个只有当前进程及其子进程能访问的新集合。

（2）nsems： 指定要创建/获取的信号量集中信号量的个数。

（3）semflg： 权限标志位（如 0666）和创建选项（如 IPC_CREAT | IPC_EXCL）。

返回值：成功返回信号量集的标识符（一个非负整数），失败返回 -1。

信号量可以申请多个信号量（与信号量是几是两个概念）即信号量集。

semctl

功能：对信号量集或其内的单个信号量进行控制操作。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

参数：

semid： semget返回的信号量集标识符。

semnum： 信号量在集合中的索引（从 0 开始）。对于针对整个集合的操作，此参数被忽略。

cmd： 控制命令，最重要的有：

IPC_RMID： 立即删除信号量集，并唤醒所有因此信号量集而阻塞的进程。

SETVAL： 将第 semnum个信号量的值设置为 arg.val。这是初始化单个信号量最直接的方法。

GETVAL： 获取第 semnum个信号量的当前值。

SETALL： 使用 arg.array指向的数组一次性设置整个集合中所有信号量的值。

GETALL： 获取整个集合中所有信号量的值到 arg.array指向的数组。

IPC_STAT： 获取信号量集的元信息到 arg.buf指向的 struct semid_ds结构。

参数 arg： 一个可选的 union semun联合体，根据 cmd不同而使用不同的成员。这个联合体需要用户自己定义。

例如：

union semun {
    int              val;    /* 用于 SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* 用于 IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* 用于 GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* 用于 IPC_INFO (Linux特有) */
};

semop

功能：对一个或多个信号量执行原子性的操作。这是实现 P 操作和 V 操作的关键。

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

参数：semid： 信号量集标识符。

sops： 指向一个 struct sembuf结构体数组的指针，每个结构体描述一个操作。

nsops： sops数组的长度。

struct sembuf结构体：

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  /* 信号量在集合中的索引 */
    short          sem_op;   /* 操作值 */
    short          sem_flg;  /* 操作标志，如 IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */
};

sem_op决定了操作：

sem_op > 0： V 操作。将信号量的值增加 sem_op。这通常对应于释放资源。

sem_op == 0： 等待零。调用者将阻塞，直到该信号量的值变为 0。用于同步场景。

sem_op < 0： P 操作。尝试从信号量的值中减去 |sem_op|。如果信号量的当前值 >= |sem_op|，则减法立即成功。否则，调用者将阻塞，直到信号量值增长到足够大。这对应于获取/请求资源。

sem_flg标志：

IPC_NOWAIT： 如果操作会导致阻塞，则函数立即返回错误 EAGAIN，而不是阻塞。

SEM_UNDO： 非常重要！启用"撤消"机制。如果进程异常终止（未执行 V 操作释放信号量），内核会自动"撤消"该进程对信号量所做的所有更改，防止死锁和资源泄漏。在大多数需要长期持有信号量的场景下都应使用此标志。

信号

基本概念

在 Linux 中，信号（Signal）​ 是进程间通信（IPC）或内核向进程通知事件的一种基本机制，用于异步处理事件（如中断、异常、终止等）。

前/后台进程

前台进程

终端控制：占用终端（标准输入、输出、错误）

交互性：可接收键盘输入（如 Ctrl+C）

启动方式：直接输入命令运行

Shell行为：Shell 等待进程结束才返回提示符

信号影响：受终端信号影响（如 SIGINT、SIGTSTP）

后台进程

终端控制：不占用标准输入（可输出到终端）

交互性：无法通过键盘直接交互

启动方式：在命令后加 &或 Ctrl+Z+ bg

Shell行为：Shell 立即返回提示符

信号影响：默认忽略 SIGINT，但接收 SIGHUP（可能）

Linux中，一次登录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是前台进程，可以允许多个进程是后台进程。

常见信号列表

|------|---------|----------|-------------------------|
| 信号编号 | 信号名 | 默认行为 | 说明 |
| 1 | SIGHUP | 终止 | 终端挂起或控制进程终止 |
| 2 | SIGINT | 终止 | 键盘中断（Ctrl+C） |
| 3 | SIGQUIT | 终止+核心转储 | 键盘退出（Ctrl+\） |
| 9 | SIGKILL | 终止（不可捕获） | 强制杀死进程 |
| 15 | SIGTERM | 终止 | 优雅终止进程（默认 kill 命令发送的信号） |
| 18 | SIGCONT | 继续 | 恢复暂停的进程 |
| 19 | SIGSTOP | 暂停（不可捕获） | 强制暂停进程 |
| 20 | SIGTSTP | 暂停 | 终端挂起（Ctrl+Z） |

（1）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,例如其中有定义 #define SIGINT 2

（2）编号34以上的是实时信号,本章只讨论编号34以下的信号,不讨论实时信号。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

信号的产生方式

终端输入：Ctrl+C（SIGINT）、Ctrl+\`（SIGQUIT）、Ctrl+Z`（SIGTSTP）。

命令发送：kill -信号 PID（如 kill -9 1234）。

系统函数：

kill()：向指定进程发送信号。

raise()：向自身发送信号。

alarm()：定时发送 SIGALRM。

sigqueue()：发送带附加数据的信号。

硬件部分

键盘数据如何输入给内核？crtl+c又是如何变成信号的？

背景

CPU和外设（如键盘）的通信分为数据层面和控制层面：

数据层面：CPU不会主动读取外设数据（外设数据需"推"给CPU）。

控制层面：CPU通过硬件针脚（集成在主板上）与外设通信，外设也插在主板上，因此物理上可通过主板电路与CPU间接连接。

键盘数据输入的内核流程

键盘向内核输入数据，核心是"硬件中断 + 驱动处理"：

1. 硬件层：键盘触发中断

当用户按下键盘按键时：

键盘控制器（硬件模块）会检测到按键事件，通过硬件中断线（主板上的电路）向CPU发送硬件中断信号。

CPU的"中断引脚"（物理针脚）接收到该信号，触发CPU暂停当前任务，转去处理中断。

2. CPU层：中断响应与向量表

中断号：每个硬件中断对应唯一的"中断号"（如键盘中断可能对应中断号1 ，不同硬件/系统可能有差异）。

中断向量表：CPU内部有一张"中断向量表"，存储了每个中断号对应的处理程序入口地址。当CPU收到中断号时，会根据中断号查向量表，跳转到对应的中断处理程序（如键盘驱动的处理函数）。

寄存器的作用：CPU寄存器本质是高低电平的组合（物理上通过电路存储0/1状态），可临时保存中断上下文（如程序计数器、状态寄存器），保证中断处理完成后能恢复原任务。

3. 内核层：驱动处理与数据拷贝

操作系统（内核）的键盘驱动会被调用，执行以下操作：

从键盘控制器的硬件缓冲区中，拷贝按键数据到内核的输入缓冲区。

判断数据类型：如果是普通按键（如字母、数字），则将数据放入"输入队列"，供上层应用（如Shell）读取；如果是控制键组合（如Ctrl+C），则进入"信号处理分支"。

crtl+c转换为信号的过程

Ctrl+C 是"终端控制序列"，内核会将其识别为终止信号（SIGINT，信号编号通常为2），并发送给前台进程：

1. 控制序列识别

当用户按下 Ctrl+C 时，键盘驱动会将这组按键（Ctrl + C）解析为控制命令，而非普通字符数据。

2. 信号生成与发送

内核根据控制序列的语义，确定要发送的信号（如 SIGINT ）。

内核通过进程控制块（PCB）找到前台进程（当前终端的前台进程组），将信号（ SIGINT ）标记到该进程的信号位图中（PCB的 struct signal_struct 或类似结构，每个信号对应一个比特位，1表示该信号待处理）。

示例图：

信号处理方式

默认动作：执行系统预设操作（终止、暂停、忽略等）。

忽略：直接丢弃信号（SIGKILL、SIGSTOP 不可忽略）。

自定义动作：通过 signal()或 sigaction()注册信号处理器。

示例：

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

void handler(int sig) {
    printf("收到信号: %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);  // 捕获 Ctrl+C
    while(1) pause();
    return 0;
}