Linux_信号

一个进程退出有两种情况：1.正常执行完毕。2.程序执行中异常退出。第一种情况可以通过进程退出码来获取进程执行结果，第二种情况需要通过信号来判断进程异常退出原因。那么进程在什么样的条件下会产生信号，进程又是怎样处理产生的信号呢？
我们可以类比生活中的信号，比如接收到了取快递的短信，而你正在打游戏，等你打完游戏后在处理。这个短信就是一个信号，当你接收到短信时，你有可能在忙，所以需要记住这个短信(信号保存)，当你处理这个信号时，有可能会自己取快递(默认动作)，有可能忽略这个短信(忽略动作)，也有可能让别人取(自定义动作)。综上所述，要学习信号，就要从信号的产生，信号的保存，信号的处理三个方面着手。
image.png
在Linux中，可以用kill -l 查看信号列表，man 7 signal 可以查看7号手册中的信号信息。
在这里插入图片描述

SIGHUP 是宏，它的值为1，其余类似。我们学的是1-31的信号，34-64属于实时信号。

一.信号的产生

信号的产生方式有五种：1.键盘 2. 系统调用 3.命令行 4.软件条件 5.硬件异常。
为了便于验证，这里提前引入一个系统调用signal，该函数的功能是将指定信号的处理动作修改为自定义行为。handler函数即为信号的自定义行为，它是一个回调函数
image.png


void handler(int signo)
{//  自定义行为
}int main()
{signal(2, handler);///.....return 0;
}

1.1 键盘
  • **ctrl + c **：给前台进程发送一个SIGINT信号，这个信号的默认处理动作是退出。可以用man 7 signal来查看。
  • 在这里插入图片描述


image.png

  • **ctrl + \ ** ：给前台进程发送SIGQUIT信号，默认处理动作也是退出。Core与Term的区别后面会讲，但它们都会让进程退出。

验证程序：
当执行下面程序时，用键盘输入ctrl c ctrl \ 不会执行默认处理动作（退出），而是执行handler函数打印信号编号。

void handler(int signo)
{cout << signo << endl;
}
int main()
{signal(SIGINT, handler);signal(SIGQUIT, handler);while (1) ;return 0;
}

1.2 命令行
  • kill signo pid 给指定pid的进程发送signo信号

int main()
{while (1){std::cout << "我是一个进程 %d：" << getpid() << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

image.png

1.3 系统调用

  • kill：给指定进程发送sig信号

    在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int main()
{int cnt = 5;while (cnt){sleep(1);std::cout << cnt-- << std::endl;}kill(getpid(), SIGINT);std::cout << "begin -----" << std::endl;while (1){;}return 0;
}

这个程序在运行5秒后会立即退出，不会打印begin，因为它自己给自己发送2号信号 image.png

  • raise：谁调用这个函数，给谁发送信号

    image.png

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int main()
{int cnt = 5;while (cnt){sleep(1);std::cout << cnt-- << std::endl;}raise(SIGINT);std::cout << "begin -----" << std::endl;while (1){;}return 0;
}
  • abort：谁调用这个函数，给谁发送**SIGABRT**信号，终止当前进程。自定义捕捉后也会退出。

image.png
image.png

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int main()
{int cnt = 5;while (cnt){sleep(1);std::cout << cnt-- << std::endl;}//这是一个c库函数，内部封装了系统调用，不论你捕不捕捉SIGABRT信号，调用该函数程序都会退出abort();std::cout << "begin -----" << std::endl;while (1){;}return 0;
}

1.4 软件条件

image.png

  • 功能：在seconds秒后，给当前进程发送一个SIGALRM信号
  • 返回值：返回上一个闹钟剩余的秒数，当一个闹钟

image.png

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>using std::cout;
using std::endl;void handler(int signo)
{cout << signo << endl;
}int main()
{signal(SIGALRM, handler);alarm(3);sleep(1);cout << alarm(1) << endl;       //此时打印的是2 ，因为创建alarm（3）这个闹钟后// 休眠了1秒，所以创建alarm(1)闹钟时，它的返回值是上一个//闹钟的剩余时间，2秒sleep(1);return 0;
}

计算机内部有一个计时器，它每时每刻都在运行，电脑时间也是根据它来确定的，并且它每隔一定时间都会给os发送一个时钟中断。
由于系统中的闹钟不只一个，所以操作系统为了管理闹钟而创建了一个结构体，结构体内部有一个timestamp(currtime+seconds)字段，保存的是这个闹钟什么时候唤醒。操作系统会遍历这个闹钟队列，当检测到哪个闹钟的timestamp和当前时间相同，便唤醒这个闹钟。

1.5 硬件异常

当程序中出现除0错误时，操作系统会给进程发送SIGFPE信号。OS是怎样知道程序中有除0错误的呢？当a /= 0 这样的语句被cpu执行时，cpu识别到除数为0时，会将状态寄存器中的溢出位置1，然后操作系统识别到状态寄存器中的值，会根据cpu中的寄存器找到当前进程的task_struct并写入信号SIGFPE。
image.png
虚拟地址是通过页表映射到内存当中的，其中从虚拟地址到物理地址的转换是由mmu硬件来完成的，mmu转化的时候有两种情况：1.页表中没有映射关系，mmu直接报错。2.页表中有映射关系，但是没有访问权限，mmu也会报错。操作系统识别到mmu报错，则会向当前进程发送SIGSEGV信号，表明错误原因是段错误。
image.png
上述两种情况，看似是由软件引发的错误，但实际上是硬件异常而引发的操作系统向进程发送信号的过程。

1.6 Core与Term

在这里插入图片描述

之前研究进程执行情况时，需要获取进程退出码和退出信号，其中有一个字段core dump这个字段的作用是表示核心转储，即将程序的数据都转储到磁盘。当程序异常退出时，如果默认退出动作为Core则会将core dump设置为1，然后在当前路径下创建一个core.pid的转储文件，在gdb中可以使用core-file指令导入这个转储文件，方便定位异常原因。如果默认退出动作为Term则不会创建转储文件。

生产环境（云服务器）默认不开启核心转储，所以core 也不会生产转储文件。

  • ulimit -a 可以打印服务器的资源上线
  • image.png
  • 从上图可以看出，core file size =0 ，使用ulimit -c 10024 将core file size 修改为 10024即可开始转储功能

二.信号的保存

信号可能随时产生，也就是说信号的产生和进程的执行是异步的。当一个信号产生时，程序有可能会执行更加重要的任务，比如IO，所以不能立即处理信号，于是就需要将信号保存到一个地方，以便于后续处理。1-31的信号，短时间内我们只需要保存有无产生即可，故可以用位图来保存信号。下面介绍三个概念：

  1. 信号递达(Delivery)：执行信号的处理动作就叫做信号递达
  2. 信号未决(Pending)：从信号的产生到信号递达之间的状态就叫做信号未决
  3. 阻塞(block)：当一个信号被阻塞时，它将永远保持未决状态，直到解除阻塞，才会递达。

在每一个进程控制块中，有三张表:block,pending,handler。block和pending表是位图结构，handler表是函数指针数组，存放的是信号处理行为(signal函数修改的就是这个表)。block表也叫做信号屏蔽字（阻塞信号集）。
image.png
block和pending由于只需要保存两种状态，故此用位图来表示block表和pending表即可。在内核中，这种结构叫做sigset_t也叫信号集。

2.1 信号集函数
  • int sigemptyset(sigset_t *set);
    • 功能：将set信号集置0
  • int sigfillset(sigset_t *set);
    • 功能：将set信号集全部置1
  • int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
    • 功能：给set信号集添加signo信号
  • int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
    • 功能：在set信号集中删除signo信号
  • int sigismember（const sigset_t *set, int signo);
    • 功能：signo信号是否在set信号集中
int main()
{sigset_t set;sigemptyset(&set);sigfillset(&set);sigdelset(&set, 4);sigaddset(&set, 4);if (sigismember(&set, 4)) {/// ...}return 0;
}

上述代码只是在栈区修改信号集(局部变量)，还没有将信号添加到内核中，所以需要调用系统调用将信号添加到内核中。

2.2 block表修改函数
  • sigprocmask:

image.png

  • how：以何种方式添加
    • SIG_BLOCK：block |= set 将set中的信号添加到block表中
    • SIG_UNBLOCK： block &= ~set 在block表中删除set中的信号
    • SIG_SETMASK：block = set 将block表改为set表
  • oldset：输出型参数，保存的是上一次信号屏蔽字。
  • 返回值：成功返回0，失败返回-1
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>using std::cout;
using std::endl;int main()
{sigset_t set, oset;sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);// 给set添加3号信号sigaddset(&set, 3);// 阻塞三号信号sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oset);while (1) ;return 0;
}

在上面程序中，由于阻塞了三号信号，所以`ctrl \`不会导致程序退出。

2.3 pending查看函数

操作系统不允许用户修改pending信号集，只能查看pending表

  • sigpending：

image.png

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>using std::cout;
using std::endl;void printPending(const sigset_t& set)
{for (int i = 1; i <= 31; i++){if (sigismember(&set, i)) cout << "1";else cout << "0";}cout << endl;
}
int main()
{sigset_t set;sigemptyset(&set);sigpending(&set);while (1){sleep(1);printPending(set);}return 0;
}

2.4 handler 表修改函数

信号的处理动作有三种，默认(SIG_DFL)，忽略(SIG_IGN) ，自定义。
修改信号处理动作的函数有两个：
1.signal ：
image.png
2.sigaction：
image.png

  • 参数中sigaction又是一种数据结构，它的字段有如下图

image.png
我们使用这个数据结构时，只需要初始化sa_handler, sa_mask,sa_flags即可

  • sa_handler：自定义处理函数
  • sa_mask：当你正在执行某一个信号的处理函数时，该信号自动被os阻塞，防止出现递归调用的情况，如果你想在处理handler函数时屏蔽其他信号，就需要设置这个参数。
  • sa_flags：初始化0即可
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>using std::cout;
using std::endl;void handler(int signo)
{cout << signo << endl;
}
int main()
{sigset_t set;sigemptyset(&set);struct sigaction act, oact;act.sa_handler = handler;act.sa_flags = 0;act.sa_mask = set;//将3号信号的处理动作自定义为handler函数，oact保存上一次该信号的属性。sigaction(3, &act, &oact);while(1) ;return 0;
}

三.信号的处理

当进程接收到一个信号时，会在合适的时间处理，那么什么是合适的时候呢？当进程执行状态由内核态转变为用户态的时候，就会处理信号。

用户态：执行用户程序的状态叫做用户态。
内核态：执行操作系统程序的状态叫做内核态。

  • 一个进程时间片到了，需要切换为内核态
  • 一个进程调用系统调用，需要切换为内核态

在cpu中，有一个CR3寄存器，当值为3时，表明当前进程为用户态，当值为0时，表明为内核态。

3.1 进程地址空间

在32位系统中，进程地址空间占4GB，其中1G是内核空间，3G是用户空间。内核空间保存的是操作系统的代码和数据，当进程调用系统调用时，便会跳转到内核空间中，此时进程的状态由用户态切换为内核态。一个进程中的页表分为内核级页表和用户级页表，由于操作系统只有一份，需要保证每一个进程看到同一个操作系统，所以在内存中，只有一份内核级页表和操作系统代码，所有进程共享这个资源。
image.png

一个进程是如何被调度？
当时钟硬件发送时钟中断时，os检查当前执行进程的时间片，如果时间片到了，操作系统就会调用
schedule函数，保存当前进程的上下文，然会切换另一个进程。

3.2 信号处理原理

当程序执行系统调用时，状态由用户态变为内核态。当执行完系统调用后，os会访问进程pcb中的三个有关信号的表：block，pending，handler，如果一个信号在pending表中并且没有被阻塞，那么os会暂时将block置1，然后去调用handler表中的自定义函数，从内核态又变为用户态，执行完这个信号处理函数后，又会调用sigreturn函数从用户态切换为内核态，将block表中的阻塞信号置0，调用sys_sigreturn()接口，恢复上下文，返回一开始的系统调用处。
image.png
根据上图可知，每一次调用系统，状态改变了4次。信号检测时机在交点处。

四.可重入函数

image.png
当一个函数被重复进入，没有任何问题时，该函数便是可重入函数；当出现问题时，该函数便是不可重入函数。使用了全局变量的函数大部分是不可重入函数，如输入输出函数，STL容器，库，malloc/free等都是不可重入函数。
例子如上图，当链表插入被重复进入，就会导致一个节点丢失，内存泄漏。

五.SIGCHLD

当父进程创建子进程后，父进程可以调用wait/waitpid回收子进程，这样父进程会时刻关注子进程的状态。如果我们不想用这种方法回收子进程，也可以接收子进程退出时给父进程发送的信号SIGCHLD，这种信号的处理动作是默认SIG_DFL但行为是啥都不做，所以可以用信号的方式回收子进程。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>using std::cout;
using std::endl;pid_t id = 0;
void waitProcess(int signo)
{sleep(3);while (1){int n = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG);if (n > 0){cout << id << " wait success !" << endl;}else{break;}}
}int main()
{signal(SIGCHLD, waitProcess);for (int i = 0; i < 10; ++i){id = fork();if (id == 0){// 子进程sleep(5);exit(1);}}sleep(10);return 0;
}
  • 除了上面这种方法，在Linux中，还可以使用signal(SIGCHLD, SIG_IGN)表明父进程不想回收子进程，子进程可以直接退出。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{//特殊组合，操作系统识别到这种组合会直接退出子进程。signal(SIGCHLD, SIG_IGN);for (int i = 0; i < 10; ++i){id = fork();if (id == 0){// 子进程sleep(5);exit(1);}}sleep(10);return 0;
}

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