进程信号机制深度解析

1. 进程信号基本理解

• 信号是一种事件的异步通知机制
  • 信号的产生，相对于进程的运行是异步的
  • 信号是要发送给进程的
• 在信号产生之前，信号的处理方法已经准备好了
• 信号产生 -》 信号保存 -》信号处理

1.1 查看信号

$ kill -l

1.2 查看信号的作用

$ man 7 signal

• Term（终止）
• Core（终止）
• Ign（忽略）
• Stop（暂停）
• Cont（继续）
  

1.3 signal 改变信号执行动作

signal(SIGINT/*2*/, handler); //让2号信号的处理动作变成执行handler函数

• SIG_IGN：忽略信号
• SIG_DFL：信号的默认处理动作
• handler：自定义的处理函数

typedef void (*__sighandler_t) (int); //handler要遵守这个格式

2. 产生信号

2.1 通过终端按键产生信号

• 给前台进程发信号
• ctrl + c（SIGINT）：发送终止信号
• ctrl + \（SIGQUIT）：发送终止信号并生成core dump文件，用于事后调试
• ctrl+ z（SIGTSTP）：发送停止信号，将前台进程挂起到后台
  • jobs：查看后台进程
  • bg 任务号：让进程恢复执行
  • fg 任务号：把进程提到前台

2.2 调用系统命令向进程发信号

• 例如

$ kill -9 进程号 # 关闭进程

2.3 使用函数产生信号

2.3.1 kill

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

• 参数列表
  • pid：要对哪个进程发送信号
  • sig：要发送什么信号
• 返回值：
  • 成功，返回 0
  • 失败，返回 -1

2.3.2 raise

• raise 函数可给当前进程发送指定的信号（自己给自己）

#include <signal.h>

int raise(int sig)

2.3.3 abort

• abort 函数是当前进程接收到信号而异常终止（6号信号）

#include <stdlib.h>

void abort(void);

2.4 由软件条件产生信号

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unisgned int seconds);

• 功能：告诉内核在 seconds 秒之后给当前进程发送 14)SIGALRM 信号，该信号的默认处理动作是终止当前进程
• 闹钟设置一次起效一次

2.5 硬件异常产生信号

• 除0：8号信号
• 内存越界：11号信号

3. 保存信号

3.1 信号其他相关常见概念

• 实际信号的处理动作称为信号递达
• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决
• 进程可以选择阻塞某个信号
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，知道进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
• 阻塞和忽略
  • 阻塞：只要信号被阻塞就不会递达
  • 忽略：在递达之后可选的一种处理动作
• 9号信号不可被捕捉，不可被阻塞

3.2 在内核中的表示

• block 是阻塞表，1表示第几号信号阻塞
  • 默认情况下，进程不对任何信号进行屏蔽
  • 置1的信号不会被进程处理（挂起）
• pending 是未决表，1 表示收到了第几号信号
  • 常规信号在递达之前产生多次只记一次
• handler：函数指针数组，表示如何处理
  • SIG_DFL：默认
  • SIG_IGN：忽略
  • 自定义处理动作

3.3 sigset_t

• sigset_t 称为信号集
• 阻塞信号即也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)
• 每个信号只有一个 bit 的未决标志，非 0 即 1

3.4 信号集操作函数

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set); // 屏蔽字置空
int sigfillset(sigset_t *set); // 初始化信号集
int sigaddset(sigset_t *set,int signo); // 添加一个信号
int sigdelset(sigset_t *set,int signo); // 删除一个信号
int sigismember(const sigset_t *set, int signo); // 判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号 

3.4.1 sigprocmask

• sigprocmask 可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how,const sigset_t *set,sigset_t *oset);

• 返回值：
  • 成功为0
  • 失败为-1
• 参数列表
  • how：如何更改
    • SIG_BLOCK：set 为添加信号屏蔽字的信号，设置1
    • SIG_UNBLOCK：set 为要解除阻塞的信号，设置0
    • SIG_SETMASK：将 set 指向信号屏蔽字设置为对应的值（比较方便，之间设置1，0）
  • set：对哪个信号集进行操作
  • oset：输出型参数

3.4.2 sigpending

• 准备递达之前，要先情况 pending 信号集即中对应的信号位图 1->0
• 如果每个信号产生多次，只能记录一次

#include <signal.h 

int sigpending(sigset_t *set);

• 功能：读取当前进程的未决信号集，通过 set 参数传出

4. 捕捉信号

4.1 捕捉信号的流程

• 合适的时候处理信号
  • 进程从内核态，返回到用户态的时候进行信号检测
• 如果信号是默认的呢？忽略呢？
  • 忽略的话把pending的对应位置置0就行，默认就去执行默认动作

4.2 sigaction

#include <signal.h>

int sigaction((int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

• 功能：读取和修改与指定信号相关联的处理动作
• 参数列表：
  • signo：信号编号
  • act：如何处理信号（自定义捕捉方法）
  • oact：输出型参数，历史动作
• 返回值：
  • 成功：0
  • 失败：-1
• 当某个信号的处理函数被调用的时候，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号的时候，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止

4.3 操作系统是如何运行的

4.3.1 硬件中断

• OS 不需要关注外部设备是否准备好了，而是外部设备准备好了会叫操作系统
  • 当没有中断时OS是暂停的
• 信号是纯软件，本质是用软件来模拟硬件中断

4.3.2 时钟中断

• 以固定的、特定的频率向CPU发送特定的中断
• 操作系统就是在硬件时钟中断的驱动下进行调度
  • 操作系统是基于中断进行工作的软件

4.3.3 死循环

• 操作系统的本质就是一个死循环！

4.3.4 软中断

• 让CPU内部触发中断逻辑
• 系统调用过程中，其实就是先让 int 0x80、syscall 陷入内核，本质就是触发软中断
• OS 不提供任何系统调用接口！OS 只提供系统调用号
• 缺页中断、内存碎片处理、除零、野指针等等
  • 全部都会转换成为CPU内部的软中断
• CPU内部的软中断，比如 int 0x80、syscall 叫做陷阱（主动发起，以及发起的目的合法）
• CPU内部的软中断：比如除零/野指针等，叫做异常（不合法）

4.4 如何理解用户态和内核态

• 操作系统无论如何切换进程，都能找到同一个操作系统
• 用户态就是执行用户 [0,3]GB 所处的状态
• 内核态就是执行内核 [3,4]GB 所处的状态（所有进程共享一份！）
  • 所有进程执行的内核态的位置相同
• OS 为了保护自己，不相信任何人！必须以系统调用的方式访问 [3,4]GB
  • 用户态：以用户身份，只能访问自己的 [0,3GB]
  • 内核态：以内核身份，运行通过系统调用的方式，访问OS [3,4GB]
• 系统中，用户或者OS自己，怎么直到当前处于内核态，还是用户态？
  • 先不考虑，很复杂。简单来说就是，由硬件决定，
  • 有个cs寄存器（其中的CPL字段）0：表示内核态；3表示用户态

5. 可重入函数

• 如果⼀个函数只访问自己的局部变量或参数,则称为可重入函数
• 如果一个函数符合下列条件之一则是不可重入的
  • 调用了 malloc 或 free ，因为 malloc 也是用全局链表来管理堆的
  • 调用了标准 I/O 库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

6. volatile

• 极端情况下，例如编译器的优化级别比较高，将 main 函数中未被修改的变量优化到了寄存器（读取比较快）中，会覆盖进程看到的变量的真实情况
• 每次都从内存中找数据，保证内存空间的可见性
• 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作

volatile int flag = 0;

7. SIGCHLD

• 子进程在终止时会给父进程发 SIGCHLD 信号，默认处理动作是忽略
  • 父进程可以自定义 SIGCHLD 处理函数
• 系统默认行为：对于 SIGCHLD 信号，系统的默认动作（SIG_DFL）是忽略，但这种 "忽略" 是特殊的：
  • 子进程终止后，内核会保留其退出状态，等待父进程调用 wait() 或 waitpid() 来 "收尸"。
  • 如果父进程不处理，子进程就会变成僵尸进程（Zombie），其进程描述符会一直占用系统资源。
  • 显式设置 SIG_IGN：当你通过 sigaction() 或 signal() 将 SIGCHLD 的处理动作显式设置为 SIG_IGN 时，这是一种完全不同的行为：
    • 子进程终止时，内核会直接丢弃其退出状态，并自动回收所有资源，不会产生僵尸进程。
    • 父进程也不会收到任何通知，调用 wait() 会立即失败并返回 -1。

signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 忽略子进程发送的SIGCHLD信号（丢弃退出状态，自动回收资源，不会产生）