【Linux】进程信号的产生

🌻个人主页：路飞雪吖~

🌠专栏：Linux

一、掌握Linux信号的基本概念

🌠前台进程 VS 后台进程

🌠 小贴士：

🪄⼀个系统函数 --- signal()

🪄查看信号 --- man 7 signal

二、软硬件上理解： OS如何进行信号处理

✨硬件上理解

🌠 信号 VS 硬件中断

✨软件：如何理解信号处理？

三、✨信号产生的方式

🚩1. 键盘产生

🚩2. 系统指令产生发送信号 ---- 底层使用的是系统调用编辑

🚩3. 系统调用发送信号

🌠 发送信号的其他函数：

🪄 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)

🪄 abort --- 自己给自己发了一个特定的终止自己的信号 --- 6号信号[SIGABRT]

🚩4. 由软件条件产生信号

🌠OS内定时器

四、✨ alarm() 设置重复闹钟 --- 简单快速理解系统闹钟

🚩5. 异常（野指针、除 0）

🪄模拟野指针

🪄 模拟除 0

🌠OS怎么知道我们的进程内部出错了？为什么会陷入死循环？

☄️ 除 0 ：

☄️ 野指针

🌠core VS Term

✨core 的使用 --- 调试

🌠 如果是子进程异常了呢？ core 会不会出现？

🌠小结：

五、信号处理

1. 默认处理动作

2. 忽略：本身就是一种信号捕捉的方法，动作就是忽略

3. 自定义捕捉一个信号

• 信号是内置的，进程认识信号，是程序员内置的特性；

• 信号的处理方法，在信号产生之前，就已经准备好了；

• 何时处理信号？先处理优先级很高的，可能并不是立即处理，在合适的时候处理；

• 怎么处理信号：a. 默认行为，b. 忽略信号，c. 自定义动作

信号产生 ---> 信号保存 ---> 信号处理

一、掌握Linux信号的基本概念

// MakefileBIN=sig
CC=g++
SRC=$(shell ls *.cc)
OBJ=$(SRC:.cc=.o)$(BIN):$(OBJ)$(CC) -o $@ $^ -std=c++11%.o:%.cc$(CC) -c $< -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f $(BIN)

// Signal.cc#include <iostream>
#include <unistd.h>int main()
{while(true){std::cout << "hello world" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

🌠前台进程 VS 后台进程

• 前台进程【./sig】：在命令行所输入的所有东西都不能执行。

> Ctrl + c 终止前台进程：给的是shell，shell在前台 --> 信号发给进程。

• 后台进程【./sig &】：bash进程依旧可以进行命令行解释。

> kill -9 [pid] 终止后台进程

> fg [作业号]

🌠 小贴士：

<1>

【1 -- 31】：普通信号；

【34 -- 64】：实时信号。

<2>

ctrl + c --> 信号发给进程，被OS接受并解释成为2号【SIGINT】信号，发送给目标进程 -- 对2号信号的默认处理动作是终止自己！。

🪄⼀个系统函数 --- signal()

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void Handler(int signo)
{// 当对应的信号被触发，内核会将对应的信号编号，传递给自定义方法std::cout << "Get a signal, signal number is : " << signo << std::endl;
}int main()
{signal(SIGINT, Handler);// 默认终止 --改成了--> 执行自定义方法：Handler while(true){std::cout << "hello world" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void Handler(int signo)
{// 当对应的信号被触发，内核会将对应的信号编号，传递给自定义方法std::cout << "Get a signal, signal number is : " << signo << std::endl;
}int main()
{signal(SIGQUIT, Handler);// 默认终止 --改成了--> 执行自定义方法：Handler while(true){std::cout << "hello world" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

ctrl + \ ：3号信号，默认也是终止进程的。

🪄查看信号 --- man 7 signal

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void Handler(int signo)
{// 当对应的信号被触发，内核会将对应的信号编号，传递给自定义方法std::cout << "Get a signal, signal number is : " << signo << std::endl;
}int main()
{// signal 为什么不放在循环里面？ 不需要，只需要设置一次就可以了// signal：如果没有产生2或者3号信号呢？ handler不被调用！// signal(SIGINT, Handler);// 默认终止 --改成了--> 执行自定义方法：Handler// signal(SIGQUIT, Handler);// 默认终止 --改成了--> 执行自定义方法：Handlerfor (int signo = 1; signo < 32; signo++)// 捕捉 1--31 号的信号，使得很多方法杀不掉进程，但是有一些信号捕捉不到{signal(signo, Handler);std::cout << "自定义捕捉信号：" << signo << std::endl;}while (true){std::cout << "hello world" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

二、软硬件上理解： OS如何进行信号处理

✨硬件上理解

OS怎么知道键盘上面有数据？

当按下键盘首先是被驱动程序识别到按下的按键，OS如何知道键盘被按下了？--- 硬件中断 ，键盘一旦按下，在硬件上键盘和 CPU 是连接的，在控制信号，输入设备是直接和中央处理器连接的，输入设备首先会给中央处理器发送一个中断信号【硬件电路】，CPU中央处理器收到这个硬件电路之后，立马就会告诉OS，当前外设有一个外设准备好了，接下来让OS主动的去把外设的数据拷贝到内存里，此时OS再也不用主动轮询检测任何输入/输出设备了，只需要等待发生中断信号 --- 硬件和OS可以并行执行了！

🌠 信号 VS 硬件中断

• 信号是纯软件，模拟中断的行为；

• 硬件中断，纯硬件。

✨软件：如何理解信号处理？

• 键盘上的组合键是先被OS系统识别到【OS是键盘真正的管理者，当系统在运行的时候，OS一直在检测键盘上有没有信息】再发给进程，当进程不能立即处理这个信号时，进程就会记录下这个信号【信号是从 1-31 连续的数字，进程是否收到1-31这个数字的信号 --- 在 task_struct 里通过位图记录 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，比特位的位置：信号的编号，比特位的内容：是否为0/1，是否收到对应的信号】，发送信号的本质是什么？【写入信号】OS修改目标进程的PCB中的信号位图【0 -> 1】，操作系统有没有权利修改进程PCB的位图？有，OS是进程的管理者，所以无论以什么方式发送信号，最终都是转换到OS，让OS写入信号，因为OS是进程的唯一管理者。

• 信号产生有很多种，但是信号发送只有OS;

• 判断进程是否收到信号：进程里面有信号处理的表结构 sighandler_t arr[32] 函数指针数组，根据PCB里面去查位图，根据位图就可以检测出那个比特位为1，拿到比特位为1，这个数字就可以作为该数组的下标【下标-1】，直接去调用函数指针上的方法。

三、✨信号产生的方式

🚩1. 键盘产生

当在可执行程序在前台进程产生之后，按住 ctrl+c ，键盘被按下，计算机的CPU识别到键盘又被按下的动作，唤醒OS，让OS去读取键盘山的 ctrl+c ，读到后将 ctrl + c 解释成 2号信号【if(案件 == ctrl + c)】，OS会把 ctrl + c 转化成一段代码【向目标前台进程PCB写入2号信号，即把比特位 0 --> 1，OS信号发送完成】，发送完成之后，该进程在后续合适的时候调度运行，发现自己收到一个信号，当前进程默认就要执行自己对 2号信号的处理动作。

🚩2. 系统指令产生发送信号 ---- 底层使用的是系统调用

🚩3. 系统调用发送信号

// MakefileBIN=mykill
CC=g++
SRC=$(shell ls *.cc)
OBJ=$(SRC:.cc=.o)$(BIN):$(OBJ)$(CC) -o $@ $^ -std=c++11%.o:%.cc$(CC) -c $< -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f $(BIN)

// Signal.cc#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string>
#include <signal.h>// 设置自己的killvoid Usage(std::string proc)
{std::cout << "Usage: " << proc << " signumber processid " << std::endl;
}// ./mykill  1信号    12345进程号
int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);exit(1);}int signumber = std::stoi(argv[1]);// 转换为整数pid_t id = std::stoi(argv[2]);int n = ::kill(id, signumber);if(n < 0){perror("kill");exit(2);}exit(0);
}

信号发送本质都是操作系统OS发的！！！

🌠 发送信号的其他函数：

🪄 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)
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>int main()
{int cnt = 5;while(true){std::cout << "hahaha alive" << std::endl;cnt--;if(cnt <= 0)raise(9);sleep(1);}
}
🪄 abort --- 自己给自己发了一个特定的终止自己的信号 --- 6号信号[SIGABRT]
int main()
{int cnt = 5;while(true){std::cout << "hahaha alive" << std::endl;cnt--;if(cnt <= 0)// abort();sleep(1);}
}

🚩4. 由软件条件产生信号

SIGPIPE 是⼀种由软件条件产生的信号。

🪄 alarm 函数 --- 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（14号）SIGALRM 信号，该信号的默认处理动作是终⽌当前进程。

int main()
{// 统计我的服务器 1s 可以将计数器累加多少！alarm(1);// 我自己，会在 1s 之后收到一个SIGALARM信号int number = 0;while(true){printf("count: %d\n", number);}}

int number = 0;
void die(int signumber)
{printf("get a sig : %d, count: %d\n", signumber, number);exit(0);
}int main()
{// 统计我的服务器 1s 可以将计数器累加多少！alarm(1);// 我自己，会在 1s 之后收到一个SIGALARM信号signal(SIGALRM, die);while(true){number++;}}

这两个的写法计数器累加的次数为什么会差别这么大呢？

【printf("count: %d\n", number);】里面的 IO 影响了计算的速度！，【while(true) number++;】纯CPU计算。

🌠OS内定时器

• 在操作系统内，要对进程管理、文件管理、多线程、内存管理进行管理，同时也要做定时管理，OS在开机之后，是会维护时间的，所以设置的闹钟，在OS底层就是设置了一个定时器。

• 许多进程都可以设置闹钟，OS里可以同时存在很多被设置的闹钟，所以OS就要管理定时器【先描述，再组织】[struct timer{}] ，OS在每次检测超时的时候，会把定时器所对应的节点，按顺序进行升序排序，变成有序的列表，当有超时的时候，只需要从前往后遍历，遇到第一个没有超时的，之前的全部是超时的，遍历的同时，把超时的【struct timer】执行对应的【func_t f;函数，给目标进程发送SIGALRM信号】在操作系统内给相应的进程发信号。

• 用堆理解定时器的排序：维护成一个最小堆，用超时时间作为键值，所以要想知道定时器有没有超时，只需要查堆顶就可以了，若堆顶没有超时，则所有的节点都没有超时；若堆顶超时，就把堆顶pop出来【堆再重新构建】，去执行相应的操作，重复操作，直到不再超时。

• 所以当我们在调用alarm函数时，就相当于在OS内给我们获取当前时间【currenttime】和当前的超时时间【seconds】，然后在内核中设置一个节点，放在堆里面，OS就会在超时之后，直接向目标进程发送SIGALRM信号，并且把该节点释放掉。

• 闹钟的返回值是什么？闹钟剩余时间。
int main()
{alarm(10);sleep(4);int n = alarm(0);// 0：取消闹钟std::cout << "n: " << n << std::endl;
}
• 当软件条件就绪时【超时、闹钟、定时器】，OS就可以向目标进程发送信号。

四、✨ alarm() 设置重复闹钟 --- 简单快速理解系统闹钟

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string>
#include <signal.h>
#include <functional>
#include <vector>// 闹钟
using func_t = std::function<void()>;int gcount = 0;
std::vector<func_t> gfuncs;// 把信号 更换 成为 硬件中断
void handler(int signo)
{for(auto &f : gfuncs){f();}std::cout << "gcount : " << gcount << std::endl;alarm(1);// 上面的闹钟响了之后，继续执行
}int main()
{gfuncs.push_back([](){ std::cout << "我是一个内核刷新操作" << std::endl;});gfuncs.push_back([](){ std::cout << "我是一个检测进程时间片的操作，如果时间片到了，我会切换进程" << std::endl;});gfuncs.push_back([](){ std::cout << "我是一个内存管理操作，定期清理操作系统内部的内存碎片" << std::endl;});alarm(1);// 一次性的闹钟，超时alarm会自动被取消signal(SIGALRM, handler);while(true)  // gcount++;{pause();std::cout << "我醒来了..." << std::endl;gcount++;}
}

• 操作系统其实就是一个死循环，当OS启动之后，会接收外部固定的事件源【时钟中断，集成在CPU内部】，每隔很短的时间，向OS触发硬件中断，让OS去执行中断方法。

• OS的调度、切换、内存管理、系统调用，全都是依靠中断来完成的。所以OS不应该叫OS，应该叫一个中断程序。

🚩5. 异常（野指针、除 0）

🪄模拟野指针

void handler(int signo)
{std::cout << "get a signo: " << signo << std::endl;// 我捕捉了 11 号信号，没执行默认动作，也没有退出进程
}int main()
{signal(11, handler);int *p = nullptr;*p = 100;while(true);
}

🪄 模拟除 0

void handler(int signo)
{std::cout << "get a signo: " << signo << std::endl;// 我捕捉了 8 号信号，没执行默认动作，也没有退出进程
}int main()
{signal(8, handler);int a = 10;a /= 0;while(true);
}

C/C++中，常见的异常，进程崩溃了，原因是 OS给目标进程发送对应错误的信号，进而导致该进程退出。

🌠OS怎么知道我们的进程内部出错了？为什么会陷入死循环？

☄️ 除 0 ：

状态寄存器里会有各种描述状态计算的结果，其中有一个叫做溢出标记位，正常情况下计算完毕，溢出标记位为0，说明整个计算结果没有溢出，结果可靠，此时把结果写回内存里，就完成对应的复制。若对应的溢出标记位为1，就证明CPU内部计算结果出错了。

当出现溢出，即CPU内部结果出错了，OS就会知道【CPU[硬件]的中断有内部中断和外部中断，CPU内部一旦出现溢出的错误，CPU内部硬件就会触发内部中断，就会告诉OS，OS是硬件的管理者，OS在调度、切换，就是在合理的使用CPU资源】，是哪个进程引起的硬件错误，OS就会通过信号杀掉进程！即当计算出现硬件错误，OS要识别到，就会给目标进程发送对应的信号，杀掉进程！

为什么会陷入死循环【不退出进程】？

这个进程一直没有退出，还要被调度，进程就会被切换、执行等等，【a /= 0】CPU里面的状态寄存器的 Eflags的溢出标记位一直都是1，CPU里面的数据一直都是这个进程的上下文内容不会更改，所以就会一直被捕捉，被调度，就会出现死循环，并且一直在触发8号信号。

☄️ 野指针

CR3 寄存器：保存页表的起始地址，负责虚拟地址和物理地址转化。

MMU【硬件】被集成在CPU内部：完成虚拟地址和物理地址转化。

ELP：读取可执行程序的起始地址。

当传递一个 0 地址，在MMU转化出来 0，我们没有权利访问最低的地址0，MMU这个硬件经过转化或权限方面上，发现根本不能转化出来这个地址，使得MMU【硬件】报错，即CPU内部出错【与上面的类似】，OS就会知道，OS就会向目标进程去识别，就会杀掉这个进程。也要类似状态寄存器的东西，转化错误，所以就会死循环。

OS怎么知道我们的进程内部出错了？程序内部的错误，其实都会表现在硬件错误上，OS就会知道是哪个地方出错，进而给对应的目标进程发送信号。

🌠core VS Term

Term ：正常终止进程【不需要进行debug】。

Core：也是终止进程，但会多做一些处理。核心转储，在当前目录下形成文件【pid.core】，OS在进程崩溃的时候，将进程在内存中的部分信息保存起来【保存在磁盘上，持久化起来】，方便后续调试！这个文件【pid.core】一般都会被云服务器关掉。

把core功能关闭的原因：在云服务器上，若野指针、除 0 出现错误等等，一般都会在后端立即重启这个服务。若不关闭，当某个错误，一直重复重启后挂掉，磁盘上就会出现大量的core文件，甚至磁盘爆满，就会影响系统或某些应用服务直接就挂掉，即 会因为系统问题，导致磁盘爆满。