Linux之信号第一谈

 

信号的基本概念

    在Linux环境下，有一重要概念信号（signal），说它重要是因为它在进程管理中占有着相当重要的低位。整个进程之间的管理切换，都是通过信号的方式实现的。首先举个简单例子。

    生活中，当我们过马路时，总是可以看到交通灯，从小耳熟能详的一局童谣“红灯停，绿灯行，黄灯亮了等一等”，遇到红灯，我们都会下意识地等待，绿灯亮起，我们会选择穿过马路，这就是一种信号。暂且不讨论闯红灯的行为。考虑一下，为什么我们会这么做？红绿灯给我们的只有颜色上的信号，我们却做出了一系列的反应，并不是因为红灯有多么大的能力，而是在我们脑海中有这样的一种意识，看到它之后我们就理所当然的要这样。

    信号也是这样，在Linux操作系统中，进程的控制大都需要信号来实现，并不是信号指使进程进行某一项动作，而是进程在信号来临之前就已经知道了，如果遇到某个信号该怎么做。有了这个概念之后，我们从操作系统的角度来看看，信号是如何工作的。

    首先要得到一个信号，这由终端的命令或程序代码可以实现，不是我们讨论的重点，这些命令或函数被执行之后，根据冯诺依曼体系结构，首先输入的信息要传递给内存，这时CPU从原来的用户态切换为内核态，分析解释该信息，得到信号，接下来这些信号会保存在该进程的PCB当中（注意，这个很重要！！！）。等待CPU从内核态转换为用户态，重新处理该进程时，会首先处理PCB中记录的信号，这个和线程切换有点类似，发现待处理的信号，接下来就会去执行它，从而使进程产生相应的行为。

    了解了这些东西之后，我们需要从宏观角度来认识一下信号，信号是一种通知机制，告诉进程某些事情发生了，进程针对信号产生特定的行为。（进程对这些信号会产生的默认行为是已知的）同时信号的产生是异步产生的，完全随机，可能在进程运行过程中的任何时间。  

    之前谈进程的时候，说过kill命令，这个后面会用到

kill -l        # 查看当前系统所有可用信号

    

信号产生的条件：

     1、终端组合键，只能产生少量信号，仅适用于前台进程

     2、硬件异常，硬件检测并通知内核

     3、软件方式，指令或函数接口。kill命令（例闹钟超时SIGALRM信号）

    关于条件2，要多说一点的是，硬件异常产生的信号，由操作系统解释，例如除0操作产生SIGFPE，访问非法内存地址；还有就是MMU内存管理单元异常。MMU是用来结合页表进行虚拟地址到物理地址转化，与MMU搭配使用的还有TLB， 做后备缓存，用来缓存映射之后的硬件缓存结果。

    那当进程得到信号之后会怎么处理呢？还是当我们遇到交通灯一样，遇到红灯，每个人都知道要停下来，默认的动作应该是在原地等待，但依旧会有些人闯红灯，同时，有些人没有老老实实地在等，而是在打电话，进程也一样，有三种处理方式：

信号处理方式：

     1、忽略信号

     2、执行信号默认动作

     3、自定义动作， 提供一个信号处理函数，也叫作信号捕捉（catch）【使用signal函数，后面会提到】  

    关于如何去实现，后面会提到。

信号的产生

    

    在Linux下信号的产生主要有三种方式。

    1、终端通过按键组合键产生

        常见的组合键有以下几个：

ctrl+c：SIGINT(2)        终止前台进程
ctrl+z：SIGSTOP(19)     停止前台进程，同时将该进程放到后台
ctrl+\：SIGQUIT(3)       终止进程并Core Dump

    这里多说一点关于core dump的东西。Core Dump， 即核心转储，当一个进程被异常终止时，可以选择性的将用户空间的内存数据全部保存到磁盘上，默认在当前路径下生成一个文件名为 core.****的文件，****通常为进程ID，在运行结束之后，可以使用gdb进行调试，找到异常所在。默认情况下是不会产生core文件的，原因有两个，一是容易将用户的私人信息也保存到了磁盘上，造成信息的不安全，二就是如果在用户不知情的情况下，产生core文件，会占用磁盘大量空间，因此即使是在实际开发中，core dump的使用也很少见。接下来给出两天命令，关于查看和调整core文件的属性

# 查看系统资源上限：
[root@localhost mySemaphore]# ulimit -a
# 更改core文件大小上限：
[root@localhost mySemaphore]# ulimit -c 1024     # 以block为基本单位
     使用gdb调试,-g编译选项
         (gdb) core-file core文件

     使用ulimit命令改变了shell的ResourceLimit，而当前进程的PCB有shell复制而来，所以也就具有了和shell相同的Resource Limit值，从而产生了core dump。

core测试代码：

//test.c
#include 
#include 
int main()
{
    int count = 0;
    while(1)
    {
        printf("hello world\n");
        if(count == 5){
            int c = 3/0;
        }
        count++;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2、 调用系统函数想进程发送信号

    这里我们会提到三个函数 kill,raise, bort

#include 
#include 
       int kill(pid_t pid, int sig);
               # 给一个指定的进程发送指定信号（成功返回0， 失败返回-1）
              
#include 
     int raise(int sig);
             # 给自己发送指定信号，用父进程wait验证（成功返回0， 失败返回-1）
             
#include 
     void bort(void);
               # 使当前进程异常终止，abort函数总是成功的，所以没有返回值

关于kill 函数中的进程ID，和信号，我们可以通过命令行参数的方式获得，代码测试如下：

kill测试代码：

// 终端1
// mysignal.c
#include 
#include 
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 3){
        printf("Isn't form: ./file pid signo \n");
        return 1;
    }
    else{
        int pid = atoi(argv[1]);
        int sig = atoi(argv[2]);
        kill(pid, sig);
    }
    return 0;
}
//终端2
// test.c
#include 
int main()
{
    while(1);
    return 0;
}
// 终端3
[muhui@bogon ~]$ ps aux | grep test

// 执行顺序
先执行test，终端3使用命令查看test进程id
然后执行mysignal，
     [muhui@bogon mysignal]$ ./mysignal 3773 9
观察终端2的显示结果，并再次运行终端3的执行

raise测试代码：

// mysignal.c
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char* argv[])
{
    int count = 0;
    while(1){
        printf("hello world\n");
        if(count == 5)
            raise(9);
        sleep(1);
        count++;
    }
    return 0;
}

abort测试代码：

// mysignal.c
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char* argv[])
{
    int count = 0;
    while(1){
        printf("hello world\n");
        if(count == 5)
            abort();
        sleep(1);
        count++;
    }
    return 0;
}

3、软件条件产生信号

    关于这种信号的产生方式，我们以SIGALRM信号为例。

    SIGALRM是14号信号，也叫闹钟信号，软件通过alarm函数产生，可以以秒为单位进行定时，当时间到达之后，终止进程，alarm函数定义如下：

#include 
     unsigned int alarm(unsigned int seconds);
               # 在seconds秒之后给当前进程发送SIGALRM信号
               # 传入0，停止闹钟
               # 返回值为0，或剩余秒数
               # 默认处理动作是终止当前进程

alarm测试代码：   

// myalarm.c
// 测试一秒钟能打印多少次
#include 
#include 
int main()
{
    int count = 0;
    alarm(1);
    while(1){
        printf("count = %d\n", count++);
    }
    return 0;
}

    然后呢，这里就要提到上面的一个函数，signal函数，用来自定义进程对信号的动作，网上很多人都把这个函数当做一个单独的模块来讲，这里我用一种比较简单的方式，尽量最容易地说清楚这个函数。

    首先看函数的定义：

#include 
     typedef void (*sighandler_t)(int);
     sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);     # 接收信号之后自定义动作
           # 参数1，要处理的信号
           # 参数2，通常有三种形式
                SIG_ING，表示忽略前面的信号，即没有动作。
                SIG_DFL，表示执行该信号的默认动作，换句话说，如果使用这个选项，完全可以 不适用这个函数，因为本身就是执行默认动作
                自定义函数名，即函数指针

接下来看一段基于上面alarm函数的测试代码。

// my_alarm.c
#include 
#include 
#include 

int count = 0;
void my_sig(int)
{
    alarm(1);
    printf("count = %d\n", count);
}
int main()
{
    signal(SIGALRM, my_sig);    // 首先要声明该信号的处理方式，这是使用自定义函数
    alarm(1);
    while(1){
        count++;
    }
    return 0;
}

    、

    我们可以发现，alarm是一次性定时闹钟，一次结束之后，如果没有特殊声明，进程直接终止。

对比两次输出的count，会发现相差数万被，这里就体现出了I/O速度和内存的速度之间的差距。

    我们可以试着将上面自定义函数中的alarm(1);去掉，代码如下：

#include 
#include 
#include 
int count = 0;
void my_sig(int i)
{
    printf("count = %d\n", count);
}
int main()
{
    signal(SIGALRM, my_sig);
    alarm(1);
    while(1)
    {
        count++;
    }
    return 0;
}

    运行结果我们会发现，打印一次之后，进程会卡住不再运行，当我们在另一个终端下执行ps命令，会看到

[muhui@bogon my_alarm]$ ps aux | grep myalarm

muhui     3024 87.0  0.0   1872   376 pts/0    R+   09:03   0:04 ./myalarm

muhui     3026  0.0  0.0   5984   728 pts/1    S+   09:03   0:00 grep myalarm

    进程一直在运行！！

    不要想的太多，这里自定义行为之后，并不是就卡在了自定义函数中，而是执行完毕自定义函数，就又调回原来程序跳出的地方，继续执行原来的while(1)，打破了默认的退出当前进程的行为。

    关于本文中所有的源码，全部打包上传，下载连接：

https://github.com/muhuizz/Linux/tree/master/Linux%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E7%BC%96%E7%A8%8B/%E4%BF%A1%E5%8F%B7/code

    --------muhuizz整理