Linux 进程信号的产生

目录

0.前言

1. 通过终端按键产生信号

1.1 Ctrl+C：发送 SIGINT 信号

1.2 Ctrl+\：发送 SIGQUIT 信号

1.3 Ctrl+Z：发送 SIGTSTP 信号

2.调用系统命令向进程发信号

3.使用函数产生信号

3.1 kill 函数

3.2 raise 函数

3.3 abort 函数

4.由软件条件产生信号

4.1 SIGPIPE 信号

4.2 SIGALRM 信号

5.硬件异常产生信号

5.1 常见硬件异常信号

5.1.1 除 0 操作：SIGFPE 信号

5.1.2 访问野指针：SIGSEGV 信号

5.2 核心转储（Core Dump）

6.小结

（图像由AI生成） 

0.前言

在 Linux 系统中，信号是用于进程间通信的重要机制，通过信号可以实现对进程的控制、状态传递以及异常处理。在上一篇博客中，我们简单介绍了进程信号的概念、常见类型以及信号的基本作用。本篇博客将继续深入，从信号的产生开始，探讨信号如何被触发并送达进程。这是理解信号处理的第一步，也是后续学习信号保存和信号处理机制的基础。通过本篇内容，你将了解信号的几种常见触发方式，包括用户手动产生、程序主动触发，以及系统自动生成等场景。

1. 通过终端按键产生信号

Linux 系统中，终端不仅是与操作系统交互的重要工具，也是信号产生的主要入口之一。在终端中按下特定的键盘组合，可以向当前前台进程发送信号，这些信号可以中断、暂停或终止程序运行。

1.1 Ctrl+C：发送 SIGINT 信号

  • 概念
    按下 Ctrl+C 会向当前前台进程发送 SIGINT 信号（Signal Interrupt）。这是用户最常用的中断方式，用于优雅地终止正在运行的程序。

  • 默认行为
    程序收到 SIGINT 信号后，默认会立即终止执行，但不会生成核心转储文件。

  • 实际场景
    例如，当你运行一个死循环脚本时，可以通过 Ctrl+C 终止它：

    while true; do echo "Running..."; sleep 1; done

    按下 Ctrl+C 后，循环将中止。

  • 自定义处理
    程序也可以捕获 SIGINT 信号并定义自定义逻辑。例如，以下代码展示了如何拦截并处理 SIGINT 信号：

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

void handle_sigint(int sig) {
    printf("Caught SIGINT signal: %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handle_sigint);
    while (1) {
        printf("Running... Press Ctrl+C to interrupt\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

1.2 Ctrl+\：发送 SIGQUIT 信号

  • 概念
    按下 Ctrl+\ 会触发 SIGQUIT 信号（Signal Quit）。与 SIGINT 类似，SIGQUIT 的默认行为也是终止进程，但它会额外生成一个核心转储文件（core dump）。

  • 默认行为
    程序收到 SIGQUIT 信号后，系统会记录程序运行时的内存状态，生成 core dump 文件，供开发者调试使用。

  • 实际场景
    在程序运行时按下 Ctrl+\，程序不仅会终止，还会留下 core dump 文件。如果 core dump 未启用，可以通过以下命令启用：

    ulimit -c unlimited # 设置核心文件大小为无限

1.3 Ctrl+Z：发送 SIGTSTP 信号

  • 概念
    按下 Ctrl+Z 会向前台进程发送 SIGTSTP 信号（Signal Terminal Stop）。该信号用于将进程挂起（暂停运行），并将控制权还给终端。

  • 默认行为
    收到 SIGTSTP 信号后，进程会进入“暂停”状态，直到用户手动恢复它。恢复命令包括：

    • fg：恢复进程到前台继续执行。
    • bg：将进程移至后台继续执行。

  • 实际场景
    当运行一个耗时较长的任务时，可以按 Ctrl+Z 暂时挂起它，进行其他操作。例如：

    sleep 100

    按下 Ctrl+Z 后，任务将暂停。输入 fg 恢复它，或者使用 bg 将其移至后台。

2.调用系统命令向进程发信号

在 Linux 系统中，除了通过终端按键，用户还可以使用系统命令向进程发送信号。其中最常用的命令是 kill，它允许用户直接向目标进程发送指定信号，以控制或终止进程。kill 命令的基本语法如下：

kill [选项] <进程ID>

常用选项

  • -SIGNAL：指定发送的信号名称或编号。例如，-SIGKILL 或 -9 表示发送 SIGKILL 信号。
  • -l：列出所有信号名称及其编号。
  • -s SIGNAL：显式指定信号名称。
  • -pid：目标进程 ID，可以是一个或多个。

举例说明

  • 发送默认信号（SIGTERM）

    kill 1234（某个进程的PID）

    默认发送 SIGTERM 信号，通常用于优雅地终止进程。

  • 发送特定信号
    强制终止进程可以使用 SIGKILL（信号编号 9）：

    kill -9 1234

  • 列出所有信号
    查看系统支持的信号列表：

    kill -l

3.使用函数产生信号

3.1 kill 函数

kill 是用于向任意进程发送信号的系统调用，其语法如下：

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

int kill(pid_t pid, int sig);

  • 参数说明：

    • pid：目标进程的 PID。
      • > 0：向指定的单个进程发送信号。
      • = 0：向调用进程所在的进程组发送信号。
      • < -1：向特定进程组发送信号。
    • sig：要发送的信号类型（如 SIGINT 或 SIGKILL）。

  • 示例： 向当前进程发送 SIGTERM 信号：

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

int main() {
    kill(getpid(), SIGTERM);
    return 0;
}

3.2 raise 函数

raise 是一个标准库函数，用于向自身发送信号，其本质是对 kill 函数的封装。语法如下：

#include <signal.h>

int raise(int sig);

  • 参数说明：

    • sig：要发送的信号。

  • 特点：

    • 只能向当前进程发送信号。
    • 使用方便，不需要获取 PID。

  • 示例： 触发 SIGINT 信号：

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

void signal_handler(int sig) {
    printf("Caught signal: %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler); // 注册信号处理函数
    raise(SIGINT); // 发送信号
    return 0;
}

3.3 abort 函数

abort 是一个标准库函数，用于向自身发送 SIGABRT 信号，强制使程序异常终止，并生成核心转储文件（core dump）。语法如下：

#include <stdlib.h>

void abort(void);

  • 特点：

    • 触发 SIGABRT 信号。
    • 通常用于在程序遇到严重错误时调用。
    • 如果未捕获 SIGABRT，程序将直接退出。

  • 示例： 强制终止程序并生成 core dump：

    #include <stdlib.h>

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

4.由软件条件产生信号

除了用户手动触发信号和程序显式调用信号函数外，信号也可以在程序运行时，由特定的软件条件自动触发。例如，管道写入异常会触发 SIGPIPE 信号，定时器到期会触发 SIGALRM 信号。

4.1 SIGPIPE 信号

  • 触发条件
    当一个进程尝试向已经关闭的管道（pipe）或套接字（socket）写入数据时，系统会自动发送 SIGPIPE 信号。默认行为是终止进程。

  • 常见场景
    例如，父进程向关闭的管道写入数据：

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

int main() {
    int fds[2];
    pipe(fds);           // 创建管道
    close(fds[0]);       // 关闭读端

    if (write(fds[1], "data", 4) == -1) {  // 写入数据
        perror("write error");
    }
    return 0;
}

    输出类似：

    write error: Broken pipe

  • 解决方式
    捕获 SIGPIPE 信号并进行自定义处理，或者忽略该信号：

    signal(SIGPIPE, SIG_IGN); // 忽略SIGPIPE

4.2 SIGALRM 信号

  • 触发条件
    SIGALRM 信号由 alarm 函数触发，用于在指定的时间间隔后通知进程执行某些任务。

  • alarm 函数
    alarm 函数设置一个秒级定时器，到期时发送 SIGALRM 信号：

    #include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

  • 示例
    设置一个 3 秒定时器，触发后执行信号处理函数：

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

void handle_alarm(int sig) {
    printf("Alarm triggered!\n");
}

int main() {
    signal(SIGALRM, handle_alarm); // 注册处理函数
    alarm(3);                      // 设置定时器
    pause();                       // 等待信号
    return 0;
}

    输出类似：

    Alarm triggered!

  • 取消定时器
    再次调用 alarm 函数，传入 0 即可取消定时器：

    alarm(0);

5.硬件异常产生信号

在程序运行过程中，某些硬件异常（例如非法操作或内存访问）会触发系统向进程发送特定信号。这些信号通常表示程序存在错误，默认行为是终止程序运行，并可能生成 核心转储文件（core dump）。

5.1 常见硬件异常信号

5.1.1 除 0 操作：SIGFPE 信号

  • 触发条件
    当程序执行非法的算术运算（如整数除以 0）时，会触发 SIGFPE 信号（Floating Point Exception）。默认行为是终止进程。

  • 示例代码
    以下代码试图执行除以 0 的操作：

    #include <stdio.h>

int main() {
    int a = 1;
    int b = 0;
    printf("%d\n", a / b); // 除以 0
    return 0;
}

    结果：程序崩溃，触发 SIGFPE。

  • 捕获信号
    使用信号处理函数捕获 SIGFPE：

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

void handle_sigfpe(int sig) {
    printf("Caught SIGFPE: Illegal operation\n");
}

int main() {
    signal(SIGFPE, handle_sigfpe);
    int a = 1, b = 0;
    printf("%d\n", a / b);
    return 0;
}

5.1.2 访问野指针：SIGSEGV 信号

  • 触发条件
    当程序尝试访问非法内存地址（如空指针或已释放的内存）时，会触发 SIGSEGV 信号（Segmentation Fault）。默认行为是终止进程。

  • 示例代码
    以下代码访问了一个空指针：

    #include <stdio.h>

int main() {
    int *ptr = NULL;
    *ptr = 42; // 访问空指针
    return 0;
}

    结果：程序崩溃，触发 SIGSEGV。

  • 捕获信号
    可以捕获 SIGSEGV 信号来处理异常：

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

void handle_sigsegv(int sig) {
    printf("Caught SIGSEGV: Invalid memory access\n");
}

int main() {
    signal(SIGSEGV, handle_sigsegv);
    int *ptr = NULL;
    *ptr = 42;
    return 0;
}

5.2 核心转储（Core Dump）

核心转储是一种调试工具，用于记录程序崩溃时的内存状态，帮助开发者排查问题。

生成核心转储

  1. 启用核心转储
    默认情况下，核心转储可能被限制或禁用。可以使用以下命令启用：

    ulimit -c unlimited

  2. 运行出错程序
    当程序崩溃时，系统会生成核心转储文件，通常命名为 core 或 core.<pid>。

  3. 调试核心转储
    使用调试工具 gdb 分析核心转储文件：

    gdb ./program core

    在调试器中，可以查看崩溃时的调用堆栈和内存状态。

示例调试

假设程序崩溃生成了核心转储文件，可以通过以下命令进入调试器：

gdb ./a.out core

进入调试器后，运行 bt（backtrace）命令查看调用堆栈：

bt (进入gdb调试后)

6.小结

本篇博客全面介绍了 Linux 系统中信号的产生方式，从终端按键、系统命令，到函数调用和软件条件触发，再到硬件异常的信号处理。信号作为进程间通信和异常管理的关键机制，贯穿了用户操作、程序设计和系统运行的各个层面。理解信号的来源和触发方式，是深入学习 Linux 信号处理与调试技巧的重要基础，为编写健壮的程序提供了强有力的支持。

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