Linux - 信号概念 信号产生

Linux - 信号概念 & 信号产生

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    • 信号产生
      • 软件信号
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      • 硬件信号
        • 键盘产生信号
        • 硬件中断

信号概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式

在Linux命令行中，我们可以通过ctrl + c来终止一个前台运行的进程，其实这就是一个发送信号的行为。我们按下ctrl + c是在shell进程中，而被终止的进程，是在前台运行的另外一个进程。因此信号是一种进程之间的通知方式。

可以通过指令kill -l来查询信号：

在这里插入图片描述

以上就是Linux中的全部信号，它们分为两个区间：[1, 31] 和[34, 64]，也就是说没有0，32，33这三个信号，虽然信号的最大编号为64，但实际上只有62个信号。

  • [1, 31]：这些信号称为非实时信号，当进程收到这些信号后，可以自己选择合适的时候处理
  • [34, 64]：这些信号称为实时信号，当进程收到这些信号后，必须立马处理

由于现在的操作系统基本都是分时操作系统，因此实时信号其实是不符合设计理念的，几乎用不到实时信号，本博客只讲解非实时信号。

上图中，所有信号都是大写的单词，在C/C++中，一般来说宏就是大写的，其实信号名就是宏。

那么进程收到信号后要怎么处理呢？

进程有三种处理信号的方式：

  1. 忽略此信号
  2. 执行信号的默认处理函数
  3. 执行信号的自定义处理函数，这种方式也成为信号捕捉

可以通过man 7 signal来查看信号的默认处理行为：

在开头，可以看到如下页面：

在这里插入图片描述

其中Term，Ign，Core，Stop，Cont就是信号处理的默认行为，我简单翻译一下它们的作用：

  • Term：默认操作是终止进程
  • Ign：默认操作是忽略信号
  • Core：默认操作是终止进程并转储核心
  • Stop：默认操作是暂停进程
  • Cont：默认操作是，如果该进程当前已暂停，则继续该进程

以上五种

其中Term和Core都是终止进程，不过Core会额外进行一个核心转储，这个会在博客后续讲解。

再往下翻阅，就可以看到每个信号的描述：

在这里插入图片描述

各列的含义如下：

  • Signal：信号的名称
  • Standard：该信号在哪一个标准中提出
  • Action：进程收到该信号后的默认处理行为
  • Comment：对信号的简单描述

对于刚才说的三种处理方式：

  1. 忽略此信号 -> 即 Action 为 Ign
  2. 执行信号的默认处理函数 -> 即Action 不为 Ign
  3. 执行信号的自定义处理函数，这种方式也成为`信号捕捉

那么我们又要如何自己定义信号处理函数呢？

signal函数，包含在头文件<signal.h>中，可以自定义信号的处理方式，函数原型如下：

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

其中这个sighandler_t类型，本质是一个void (*)(int)类型的函数指针，也就是说自定义的信号处理函数必须是void (int)的格式。其中这个处理函数的第一个参数int，就是用来接收信号的编号的。

而返回值也是sighandler_t，其返回原先该信号处理的函数的函数指针。

示例：

void handler(int sig)
{
    cout << "get sig: " << sig << endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);

    while(true)
    {
        cout << "hello world!" << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

以上代码中，我们通过signal(2, handler);把2号信号的处理方式变成了执行函数handler，此后进程收到2 号信号时，就会执行cout << "get sig: " << sig << endl;了。

而2号信号SIGINT就是ctrl + C发送的信号，因此我们可以直接在shell中通过ctrl + C来发送2号信号，从而验证效果。

输出结果：

在这里插入图片描述

可以看到，我在hello world!期间按下了两次ctrl + C，本来ctrl + C发送2号信号时会直接终止进程，但是现在却是输出get sig 2了，因为我们将2号信号的行为改变了。

信号产生

简单讲解了一下信号的三种处理方式后，再来看看信号是如何产生的，在Linux中，信号主要有两种产生方式：软件条件，硬件异常。

软件信号

在 Linux 中，“软件条件” 发出的信号指的是由 进程自身或其他进程 产生的信号，而不是由硬件中断或其他外部事件触发的信号。

Linux中有多种系统调用可以发送信号，在此我讲解kill，raise，abort，alarm四种接口，其中abort并不是一个系统调用，而是一个用户操作接口。

kill

kill函数用于给指定pid的进程发送指定信号，需要头文件<sys/types.h>和<signal.h>，函数原型如下：

int kill(pid_t pid, int sig);

参数：

  • pid：收到该信号的进程的pid
  • sig：发送哪一个信号

返回值：

  • 返回0：发送信号成功
  • 返回-1：发送信号失败

示例：

void handler (int sig)
{
    cout << "get sig: " << sig << endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    pid_t id = fork();

    if (id == 0) // 子进程
    {
        signal(2, handler);

        while (true)
        {
            cout << "I am child process" << endl;
            sleep(1);
        }
    }

    sleep(5);
    kill(id, 2);

    return 0;
}

以上示例中，父进程通过fork创建子进程，sleep五秒后通过kill(id, 2);给子进程发送(2) SIGINT信号。子进程通过signal(2, handler);修改了信号处理方式，随后每秒钟输出一次I am child process。

在handler中，会先输出get sig: 2，表示自己收到了信号，然后exit退出进程。

输出结果：

在这里插入图片描述

可以看到，我们确实通过kill函数给进程发送信号了。

另外的，也可以通过kill指令发送信号，格式为：

kill -sig pid

其中sig为要发送的信号，pid为收到信号的进程pid。

示例：

现在进程执行如下代码：

void handler(int sig)
{
    cout << "get sig: " << sig << endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    signal(2, handler);

    while (true)
    {
        cout << "pid = " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

进程先修改信号2的处理方式为handler，然后死循环输出自己的pid。随后我们在另外一个窗口通过kill -2 pid来发送(2) SIGINT信号。

输出结果：

在这里插入图片描述

左侧窗口中，进程输出自己的pid = 130988，在右侧窗口通过kill -2 130988向进程发送信号，输出一句get sig 2后退出。

其实kill指令底层就是调用kill接口，依然属于系统调用的范围。

raise

raise函数用于给自己发送信号，需要头文件<signal.h>，函数原型如下：

int raise(int sig);

参数：

  • sig：发送哪一个信号

返回值：

  • 返回0：发送信号成功
  • 返回-1：发送信号失败

示例：

void handler(int sig)
{
    cout << "get sig: " << sig << endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    signal(2, handler);

    int cnt = 5;
    while (cnt)
    {
        cout << "I am a process cnt = " << cnt-- << endl;
        sleep(1);
    }

    raise(2);

    return 0;
}

先通过signal(2, handler);修改信号的处理函数，随后循环五次，输出"I am a process cnt = "，最后通过raise(2);给自己发送(2) SIGINT信号。

输出结果：

在这里插入图片描述

abort

abort函数用于给自己发送(6) SIGABRT信号，需要头文件<stdlib.h>，属于用户操作接口，函数原型如下：

void abort(void);

这个函数功能十分简单，就是给自己发送(6) SIGABRT信号，示例：

int main()
{
    abort();
    
    return 0;
}

我们就在进程内部直接调用abort();，输出结果：

在这里插入图片描述

最后进程输出了Aborted表示自己收到了(6) SIGABRT信号。

alarm

alarm函数用于设定一个闹钟，在一定之间后给当前进程发送信号(14) SIGALRM，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

参数：

  • seconds：在seconds秒后发送信号

返回值：

  • 如果之前有还没响的闹钟：取消上一次的闹钟，并返回上一次闹钟的剩余秒数
  • 如果之前没有闹钟了：返回0

示例：

void handler(int sig)
{
    cout << "get sig: " << sig << endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    signal(SIGALRM, handler);
    alarm(1);

    int i = 0;
    while(true)
    {
        cout << i++ << endl;
    }

    return 0;
}

以上代码中，先通过signal(SIGALRM, handler);自定义信号(14) SIGALRM的处理方式。然后通过alarm(1);设定一秒钟的闹钟，在一秒内，程序会不断执行while循环让i++，我们可以看看一秒内计算机可以执行多少次i++。

输出结果：

在这里插入图片描述

可以看到，计算到76451时，就收到了SIGALRM，终止进程了。

硬件信号

硬件信号指的是由 硬件事件 触发的信号，而不是由软件代码逻辑控制的。

具体来说，以下情况属于硬件条件发出的信号：

  • 中断： 硬件设备，例如键盘、鼠标、网络接口等，在发生事件时会向 CPU 发送中断信号，例如键盘按键按下、网络数据包到达等。
  • 异常： CPU 在执行指令过程中，如果遇到错误情况，例如除以零、内存访问错误等，会产生异常信号。
  • 时钟中断： 系统定时器会定期向 CPU 发送时钟中断信号，用于调度进程和执行定时任务。
键盘产生信号

通过键盘发送信号是最简单的信号发送方式，最常用的有ctrl + C和ctrl + \。

  • ctrl + C：向前台进程发送(2) SIGINT信号，效果为直接终止进程
  • ctrl + \：向前台进程发送(3) SIGQUIT信号，效果为直接终止进程

示例：

在这里插入图片描述

该进程每隔一秒输出Hello world，第一次执行进程，我按下ctrl + C后直接终止了进程，第二次按下ctrl + \输出了一个Quit后终止进程。

硬件中断

硬件给进程发送信号的本质，其实是通过硬件中断。

硬件中断是指硬件设备向 CPU 发送的信号，通知 CPU 有事件发生需要处理。

想象一下，你的电脑就像一个忙碌的办公室，CPU 就像办公室的经理，负责处理各种任务。而键盘、鼠标、网卡等硬件设备就像办公室的员工，需要向经理汇报工作进度或请求帮助。

当一个员工需要向经理汇报工作进度时，他会敲响经理办公室的门，发出一个“中断”信号。经理收到这个信号后，会暂停当前的工作，转而去处理员工的请求。

硬件中断也是类似的机制。当一个硬件设备需要向 CPU 汇报事件发生时，它会向 CPU 发送一个中断信号。CPU 接收这个信号后，会暂停当前执行的任务，转而去处理硬件设备的请求。

看到以下代码：

int main()
{
    int a = 5 / 0;

    return 0;
}

这是一个很经典的除零错误，如果我们强行运行这个进程，会报出如下错误：

在这里插入图片描述

发送了错误Floating point exception，本质上是收到了信号(8) SIGFPE，那么为什么除零会发送这个信号呢？其实本质上是发生了硬件中断。

如下图：

在这里插入图片描述

在以上过程中，各个部分发挥作用如下：

  • CPU：CPU是一个硬件，其要处理计算，而5/0这个计算过程就是在CPU中完成的，当CPU检测到这个计算中0做了除数，于是对自己发起硬件中断
  • 操作系统：操作系统检测到硬件中断后，跳转到中断处理程序（中断处理程序是Linux内核的一部分），然后检测该硬件中断是什么原因，发现是因为除零错误，于是给进程发送(8) SIGPFE信号
  • 进程：进程收到操作系统发来的(8) SIGPFE信号后，执行相应的处理措施

这就是硬件中断发送信号的过程，其实发送信号本质还是操作系统来发送，而硬件发现异常后，只是通知操作系统去发送信号。

再比如说我们之前的ctrl + C按键发送(2) SIGINT信号，本质也是硬件中断，当我们从键盘输入了数据后，键盘向CPU发出硬件中断，随后CPU去执行操作系统中的硬件中断程序，发现是用户按下了ctrl + C，于是操作系统向进程发送(2) SIGINT信号。

再看到这样的代码：

void handler(int sig)
{
    cout << "get sig: " << sig << endl;
    sleep(1);
}

int main()
{
    signal(8, handler);

    int a = 5 / 0;

    return 0;
}

我们已经知道，除0错误是(8) SIGFPE信号，现在我们把其对应的处理方式改为输出一条语句，我们看看会发生什么：

在这里插入图片描述

可以看到，进程现在在不断的输出get sig: 8，可是我们只发生了一次int a = 5 / 0，为什么会产生这么多信号？

现在先想一想，为什么我们进程会收到(8) SIGFPE信号，这是因为CPU检测到5 / 0的错误，发生了硬件中断。请问我们调用了handler函数之后，CPU内部的5 / 0被处理了吗？答案是没有的！

也就是说，CPU会被一直卡在5 / 0，CPU不知道怎么计算这个表达式，于是一直硬件中断，操作系统就一直发送(8) SIGFPE信号，所以进程就一直执行handler函数了。

与软件条件信号相比，硬件条件信号具有以下特点：

  • 由硬件触发： 硬件条件信号的产生是由硬件事件触发的，而不是由代码逻辑决定的
  • 不可控性： 硬件条件信号的产生通常无法被进程控制，例如硬件设备的故障、网络连接中断等。
  • 不可预测性： 硬件条件信号的产生通常是不可预测的，因为它们是由硬件事件触发的。

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