深入探索 Linux 进程信号的奥秘

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1 学习进程信号的过程

2 Linux 进程信号的基本概念

2.1 对信号的基本认知

从生活角度来讲

• 你在网上买了很多件商品，再等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时，你该怎么处理快递。也就是你能“识别快递”
• 当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是你正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取”。
• 在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你“记住了有一个快递要去取”
• 当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）2. 执行自定义动作（快递是零食，你要送给你你的女朋友）3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔掉床头，继续开一把游戏）
• 快递到来的整个过程，对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话

从技术角度
用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程。

1. 用户按下Ctrl-C ,这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程
2. 前台进程因为收到信号，进而引起进程退出

如下代码

从这两个角度来看，进程就是我，操作系统就是快递员，信号就是快递

注意

1. Ctrl + c 产生的信号只能发给前台进程，当 “命令” + & 可以把进程放到后台运行，这样 Shell 就不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。
2. Shell 可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接受到 Crtl + c这样的控制键产生的信号。使用 bg 可以把前台进程转为后台进程 fg 可以把后台进程转为前台进程
3. 前台进程在运行过程中用户随时可能按下 Ctrl-C 而产生一个信号,也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到 SIGINT 信号而终止,所以信号相对于进程的控制流程来说是异步(Asynchronous)的。

信号概念

• 信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

用kill -l命令可以察看系统定义的信号列表

• 每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到,例如其中有定 义 #define SIGINT 2
• 编号34以上的是实时信号,我们只讨论编号34以下的信号,不讨论实时信号。

信号处理常见方式

• 忽略此信号。
• 执行该信号的默认处理动作，例如 Ctrl + c 终止进程
• 提供一个信号处理函数,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕(Catch)一个信号。

3 Linux 进程信号的产生方式

1. 通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。

Core Dump 核心转储

当一个进程异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据的全部保存到磁盘上，叫 Core Dump。进程异常终止通常因为有Bug，比如非法存访问导致段错误，事后可以用调试器检查 core 文件以查清错误原因，这就叫做Post-mortem Debug(事后调试)。一个进程允许产生多大的 Core 文件取决于进程的 resource Limit （保存在PCB里）。默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K:ulimit -c 1024

2. 调用系统函数向进程发信号

在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号，指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法,上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 进程id 或 kill -11 进程id , 11是信号SIGSEGV的编号。以往遇 到的段错误都是由非法内存访问产生的,而这个程序本身没错,给它发SIGSEGV也能产生段错误。
还有3个系统调用函数可以实现向进程发信号，kill raise abort
kill

raise

abort

3. 由软件条件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号,在进程的通信的管道中已经介绍过了。本节主要介绍alarm函数和 SIGALRM信号。

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SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

4. 硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令,CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释 为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

模拟野指针异常

异常被捕获，并被自定义处理


由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。
总结一下，有几个问题会在后面的知识里呈现

1. 上面所说的所有信号产生，最终都要OS来执行，为什么？OS 是进程的管理者
2. 信号的处理是否是立即处理的呢？不是的，是在合适的时候，而且需要被进程所记录
3. 信号产生有4种方式，所有信号必须经过操作系统才可以发出，因为操作系统内核是进程的管理者。
4. 野指针导致的段错误的底层原因：MMU 在页表地址映射的时候(虚拟地址<=====>物理地址)，可能这个虚拟地址在页表里并不存在，或者存在但是映射到了内存中只读的位置，操作系统内核一旦发现这个问题就形成信号干掉进程。
5. 一个进程在没有收到信号的时候能否知道，自己应该对合法信号作何处理。

4 Linux 进程信号的保存和处理

信号在进程的PCB里保存，用一个无符号数的位图来保存，比特位的位置代表是哪个信号，比特位的内容代表是否收到此信号，那么操作系统是如何给进程发（其实是写信号）信号的呢？kill -8 进程ID ==> 把进程里的位图的第8位改为1，那么进程执行信号的行为。

信号的相关术语

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达（Delivery）。
• 信号从产生到递达之间的状态称为未决（Pending）。
• 进程可以**阻塞（屏蔽）（Block）**某个信号。
• 被阻塞（屏蔽）的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。
• 注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是递达之后可选的一种处理动作。

信号在内核中的表示

• 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
• SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
• SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。

sigset_t

• 从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。
• 因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号
• 的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。
• 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

信号集操作函数

• sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现
• 从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量,而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的

• 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号。
• 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置1,表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
• 注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
• 这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种 信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

处理阻塞信号集和未决信号集的相关接口
sigprocmask : 读取或者更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）

• 如果oldset 是非空指针，则读取进程的当前进程的信号屏蔽字通过oldset 参数传出。如果 set 为非空指针，则更改进程的 信号屏蔽字，参数 how 是修改方式。如果set 和oldset都是非空指针，则先将原来的信号屏蔽字备份到 oldset里，然后根据set 和 how 参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字是mask，下面说明how参数的可选值。
• SIG_BLOCK ：set 包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于 mask = mask | set
• SIG_UNBLOCK : set 包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于 mask = mask &~set
• SIG_SETMASK ：设置当前信号屏蔽字为 set 所指向的值，相当于 mask = set
• 如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,至少将其中一个信号递达

sigpending : 读取当前进程的未决信号集听过输出型参数传出

一段有意思的代码

5 Linux 进程信号递达

进程信号递达的3种方式

1. 默认
2. 忽略
3. 自定义捕获

相应的系统调用接口介绍

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作，调用成功则返回0,出错则返回- 1。signum 是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非 空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体:
结构体成员说明：将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作，,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。
当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。 sa_flags字段包含一些选项,代码都把sa_flags设为0,sa_sigaction是实时信号的处理函数,不详细解释这两个字段,有兴趣的小伙伴可以在了解一下。

sigaction的使用

结果和signal函数是一样的，sigaction函数的功能比signal函数丰富一些

信号是什么时候处理的呢？从内核态切换到用户态的时候

6 volatile关键字

站在信号的角度理解一下 volatile

Makefile

test.c

结果

• 标准情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 quit＝1 ， while 条件不满足,退出循环，进程退出

我们在看编译器优化的情况

结果

• 优化情况下，键入 CTRL-C ,2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 quit＝1 ，但是 while 条件依旧满足,进程继续运行！但是很明显 quit 肯定已经被修改了，但是为何循环依旧执行？很明显， while 循环检查的quit ，并不是内存中最新的quit，这就存在了数据二异性的问题。 while 检测的quit其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。

给全局变量 quit 加关键字 volatile 修饰

结果

可以得出结论

• volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作