当涉及到Linux操作系统中的进程通信和控制时,信号(signal)是一个重要概念,它通常用于在进程之间传递通知和控制信息。
信号可以被认为是一种异步通信机制,它允许一个进程向另一个进程发送一个特定的信号,并且接收进程可以采取适当的行动来相应该信号。进程可以发送信号给其他进程,也可以发送信号给自己。
或者,我们也可以在前台进程运行时给其发送信号。在进程运行时,按下ctrl+c,就可以终止它了。
信号的发送
发送信号的本质就是修改进程PCB中的信号位图。PCB是内核维护的数据结构对象,PCB中保存了进程的信息。PCB的管理者是OS,所以也就只有OS才能修改PCB的内容。不管信号发送的方式是怎样的,本质都是通过OS向目标进程发送信号! 这样的话,OS就必须要提供发送信号处理的相关系统调用,其实我们在命令上输入的kill命令,本质上也是调用了对应的系统调用接口!
信号的记录
上面提到,信号的发送即操作系统修改进程的PCB中的某一个位图,那么信号的记录其实也就是修改PCB中的信号位图的比特位的值。
下图中我们用一个32位的位图来记录信号是否接收到了信号,其中比特位的位置表示信号的编号,比特位的是否为1表示是否收到对应信号。
进程处理信号有三种方式:
我们可以使用man手册查看信号的默认处理动作
从图中可以看到信号的Aciton有些是Term,有些是Core。它们虽然都代表着终止进程,但是Core在终止进程的时候会进行一个动作,那就是核心转储。
核心转储是什么?
核心转储(Core Dump)是指在程序发生错误或者崩溃时,将程序在运行时的内存状态及相关信息保存到一个文件中的过程。核心转储文件可以被用于后续的调试和分析,以确定程序崩溃的原因和状态。
在云服务器中,核心转储是被默认关掉的,我们可以使用ulimit -a命令查看当前资源限制的设定。
从第一行我们可以看到,核心转储的文件大小为0,表示其是被关闭的。
我们可以使用ulimit -c size设置核心转储文件的大小
core文件的大小设置完之后,就相当于打开了核心转储。当某一个进程运行时,我们使用ctrl+\命令,就相当于发出了有核心转储功能的三号信号。下面我们进行演示。
可以发现,进程在终止之后会显示core dumped,并且在当前路径下会生成一个core文件,该文件的后缀为发生核心转储的进程的PID。
核心转储有什么用?
当我们的代码出错了,我们需要知道出错的原因。如果此时代码运行结束,我们可以根据进程退出码判断代码出错的原因,而如果此时代码没有运行结束,我们是如何判断出错的原因呢?利用核心转储!
通过核心转储的功能,在程序出错之后在当前目录下会生成一个core.pid的文件,这个文件中保存了进程的运行状态及相关信息。
核心转储的使用
在程序出错之后利用可以使用调试器和core文件来查明错误原因,这种调试方式叫做事后调试。
下面用代码进行演示:
运行结果如下:
此时磁盘中生成了core文件
然后使用gdb堆可执行程序进行调试,在gdb中使用core-file core.pid就可以加载core文件,这样就可以得知进程在结束时收到了什么信号,也可以定位到产生该错误的具体代码了。
父进程可使用status变量得知子进程是否进行了核心转储
进程等待waitpid函数的第二个参数status,可以用它来获取子进程的退出状态,当进程异常时,它的比特位代表的信息是这样的。
它的第八位比特位是core dump标准,表示进程退出时是否发生了核心转储。
下面用一段代码啦进行演示:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id == 0)
{
printf("I am child...\n");
int *p = NULL;
*p = 100;
exit(0);
}
int status = 0;
waitpid(id, &status, 0);
printf("exitCode: %d, signal: %d, coreDump: %d\n",
(status >> 8) & 0xFF, status & 0x7F, (status >> 7) & 1);
return 0;
}
在前台进程运行时,我们可以使用 ctrl+c或者ctrl+\ 来终止进程。
用一串小代码来进行演示。
运行如下:
这是ctrl+c终止进程,其实是发送了二号信号
这是ctrl+\终止进程,其实是发送了三号信号
在命令行中,可以使用kill命令杀死进程
实际上,这个kill命令就被bash解析为了调用kill函数
kill函数
kill函数的第一个参数为进程pid,第二个参数为信号的编号。
如果函数调用成功,返回0,否则返回-1。
raise函数
raise函数是向当前进程发送信号,也就是自己给自己发送信号。
调用成功返回0,否则返回一个非0值。
abort函数
它是一个无参无返回值的函数,它可以给进程发送SIGABRT信号,使得进程异常终止。
在使用这个函数时,不管你有没有对它的执行动作进行自定义,它都会终止进程,当然,如果自定义了,会调用自定义的函数再终止进程。且abort函数的作用是异常终止进程,exit函数的作用是正常终止进程,而abort函数本质是通过向当前进程发送SIGABRT信号而终止进程的,因此使用exit函数终止进程总是成功的。
软件异常会产生信号,下面举SIGPIPE和SIGALRM的例子。
SIGPIPE
SIGPIPE信号实际上就是一种由软件条件产生的信号,当进程在使用管道进行通信时,如果读端进程将读端关闭,而写端进程还在一值向管道写入数据,那么写端进程就会收到SIGPIPE信号进而被操作系统终止。
SIGALRM
调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是高速操作系统在若干时间后发送SIGALRM信号给当前进程。
alarm函数的作用就是,让操作系统在seconds秒之后给当前进程发送SIGARM信号,SIGALRM信号的默认处理动作是终止进程。
alarm函数的返回值:
在程序中出现类似于除0,空指针访问,数组越界之类的错误时,CPU会作出标记,操作系统会识别出是哪个进程导致的错误,并将识别到的硬件错误包装成信号发送给目标进程,本质就是操作系统去找到这个进程的PCB,并向PCB中的信号位图写入指定的信号。
比如除0时
操作系统会识别到对空指针解引用的问题,然后对进程发出信号杀死进程。
参考上面那张图,我作出以下解释:
未决和阻塞标志用相同的数据类型sigset_t来存储。
sigset_t定义如下:(不同的操作系统可能不同)
#define _SIGSET_NWORDS (1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))
typedef struct
{
unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];
} __sigset_t;
typedef __sigset_t sigset_t;
sigset_st就称为信号集,这个类型可以表示信号的有效和无效状态
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。
可以使用一下函数来操作sigset_t变量
对于这些函数有以下解释:
它可以用来查看或者修改进程的信号屏蔽字(或者说阻塞信号集)。
参数说明:
假设当前进程的信号屏蔽字为mask,下面说明了how参数的选项及意义:
如果该函数调用成功返回0,调用失败返回-1。
注意:如果调用sigprocmask函数解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask函数返回前,至少将其中一个信号抵达。
sigpending函数可以用来读取进程的未决信号集
读取当前进程的未决信号集,并通过set参数传出。函数调用成功返回0,除草返回-1。
每一个进程都有自己的进程地址空间,该进程地址空间由内核空间和用户空间组成:
内核级页表是一个全局的页表,它用来维护操作系统的代码和进程之间的关系。因此,在每个进程的进程地址空间中,用户空间是属于当前进程的,每个进程看到的代码和数据是不同的,但内核空间所存放的都是操作系统的代码和数据,所有进程看到的都是一样的内容。
虽然每个进程都能够看到操作系统,但是并不意味着每个进程都能够随时对其进行访问。
如何理解进程程序切换?
当进程访问用户空间时必须处于用户态,当访问内核空间时必须处于内核态。
前面说过,信号产生的时候,信号可能不会立即处理,而是在合适的时候处理。合适的时候就是从内核态返回用户态的时候,这说明了曾经一定是先进入了内核态,最典型的就是系统调用与进程切换。
内核态与用户态:
内核态和用户态之间是如何进行切换的?
从用户态切换到内核态通常有以下几种情况:
从内核态切换到用户态有以下几种情况:
其中,由用户态切换为内核态我们称陷入内核。每当我们需要陷入内核时,本质上是因为我们需要执行操作系统的代码,比如系统调用函数是由操作系统实现的,我们系统进程系统调用时就要先陷入内核。
信号的捕捉是指程序通过注册信号处理程序来相应特定信号的过程。
signal函数
第一个参数为要进行捕捉的信号编号
第二个参数为一个函数指针,信号在被捕捉之后,它在被抵达的时候就会执行这个函数。
它的返回值为一个函数指针,对于其返回值的理解:
下面一串代码用于理解这个函数
将程序运行起来,结果如下:
可以看到,在每次我们ctrl+c的时候,进程并没有被终止,而是去执行我们的自定义动作。
注意:sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。
sigaction函数
捕捉信号除了使用signal函数,也可以使用sigaction函数。
sigaction可以读取和修改与指定信号相关联的动作,调用成功返回0,出错返回-1。
参数说明:
act和oldact都是结构体变量,该结构体定义如下:
struct sigaction {
void(*sa_handler)(int);
void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
void(*sa_restorer)(void);
};
结构体的第一个成员sa_handler
注意:所注册的信号处理函数的返回值为void,参数为int,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。显然这是一个回调函数,它不是被main函数调用,而是被系统所调用。
结构体第二个成员sa_sigaction
sa_sigaction是实时信号的处理函数
结构体的第三个成员sa_mask
首先需要说明的是,当某个信号的处理函数被调用,内核会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会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。
结构体的第四个成员sa_flags
sa_flags字段中包含一些选项,这里直接将sa_flags设置为0即可。
结构体的第五个成员sa_restorer
这个成员通常不被使用
下面我们用代码进行演示,用sigaction函数对2号信号进行捕捉,将2号信号的处理动作改为了自定义的打印动作,并在执行一次自定义动作后将2号信号的处理动作恢复为原来的默认动作。
#include
#include
#include
#include
struct sigaction act, oact;
void handler(int signo)
{
printf("get a signal:%d\n", signo);
sigaction(2, &oact, NULL);
}
int main()
{
memset(&act, 0, sizeof(act));
memset(&oact, 0, sizeof(oact));
act.sa_handler = handler;
act.sa_flags = 0;
sigemptyset(&act.sa_mask);
sigaction(2, &act, &oact);
while (1){
printf("I am a process...\n");
sleep(1);
}
return 0;
}
运行结果如下:
可以看到,当我们第一次向进程发送2号信号,执行我们自定义的打印动作,当我们再次向进程发送2号信号,就执行该信号的默认处理动作了,即终止进程。
当我们在执行主控制流程的时候,可能会因为某些情况陷入内核,当内核处理完毕准备返回用户态时,就需要进行信号pending的检查。(此时仍处于内核态,有权力检查当前进程的pending图)
在查看pending位图时,如果发现有未决信号且该信号没有被阻塞,那么此时就需要对该信号进行处理。
如果待处理的信号的处理动作是默认或者忽略,则执行该信号的处理动作之后清除对应的pending位即可。
在抵达完毕之后,如果没有新的信号要抵达,就直接返回用户态,从主控制流程中上次被中断的地方继续向下执行即可。
但是如果待处理信号是自定义捕捉的,即该信号的处理动作是由用户提供的,那么处理该信号时就需要先返回用户态执行对应的自定义处理动作。
执行完之后再通过特殊的系统调用sigreturn再次陷入内核并清除对应的pending标志位,如果没有新的信号要抵达,就直接返回用户态,继续执行主控制流程的代码。
当信号的处理为自定义动作时,可以形象地记忆为下图。
其中,该图形与直线有几个交点就代表在这期间有几次状态切换,而箭头的方向就代表着此次状态切换的方向,图形中间的圆点就代表着检查pending图。
当识别到信号的处理动作是自定义时,能直接在内核态执行用户的代码吗?
理论上是可以的,因为内核态是一种权限非常高的状态,但是我们不能这样设计!
如果允许直接在内核态执行用于的代码,那么用户就可以在代码中设计一些非法操作,比如清空数据库等,虽然在用户态时没有足够的权限做到清空数据库,但是如果在内核态执行了这种非法代码,数据库就真的被清空了,因为内核态是有足够权限清空数据库的。
也就是说,不能让操作系统直接去执行用户的代码,因为操作系统无法保证用户的代码是合法代码,即操作系统不信任任何用户。
情景是这样的,主函数调用insert函数向链表中插入节点node1,某信号处理函数也调用了insert函数向链表中插入节点node2,然后就会出现一些问题。
下面我们分析一下这个链表的插入情况
1.首先,main函数中调用了insert函数,函数是要将node1节点插入链表,插入操作分为两步,刚做完第一步的时候,可能因为某些原因发生中断,切换到了内核,再次回到用户态之前检查到了有信号需要被处理,于是就切换到了sighandler函数。
2.而sighandler函数中也调用了insert函数,将节点node2插入到链接中
在两步操作都完成之后才切回到内核态
3.再次回到内核态之后就从main函数调用的insert函数继续向下执行,即进行插入node1节点的第二步操作
最终结果是,main函数和sighandler函数都向链表中插入了节点,但最后只有node1节点真正插入到了链表中,造成了内存泄漏的问题。
像上面这样,insert函数被不同的控制流调用(main函数和sighandler函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程),有可能在第一次调用还未结束时就再次进入该函数,我们将这种现象称为为重入。
而insert函数访问一个全局链表,有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数我们称之为不可重入函数,反之,如果一个函数只访问自己的局部变量或参数,则称之为可重入函数。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
volatile是C语言的一个关键字,该关键字的作用是保持内存的可见性。
在下面的代码中,我们对2号信号进行了捕捉,当该信号收到2号信号时会将全局变量flag由0置为1。也就是说,在进程收到2号信号之前,该进程会一直处于死循环状态,直到收到2号信号时将flag置1才能够正常退出。
#include
#include
int flag = 0;
void handler(int signal)
{
printf("get a signal: %d\n", signal);
flag = 1;
}
int main()
{
signal(2, handler);
while (!flag);
printf("proc normal quit!\n");
return 0;
}
运行结果如下:
但是代码中的main函数和handler函数是两个独立的执行流,而while循环是在main函数当中的,在编译器编译时只能检测到mian函数对flag变量的使用。此时编译器检测到在main函数中并没有对flag变量做修改操作,在编译器优化级别较高的时候,就有可能将flag设置进寄存器里面。
此时main函数在检测flag时只会检测寄存器内的值,而handler执行流只是将内存中flag的值置为1了,并不会影响main函数中对flag的使用。
在编译代码时带上 -O3 选项使得编译器的优化级别最高,此时再运行该代码,就算向进程发送2号信号,该进程也不会终止。
面对这种情况,我们就可以使用volatile关键字对flag变量进行修饰,告诉编译器,对flag的任何操作都必须在内存中进行,即保持了内存的可见性。
为了避免出现僵尸进程,父进程需要使用wait或者waitpid函数等待子进程结束。父进程可以阻塞等待子进程结束,也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理,即轮询的方式。采用第一种方式,父进程阻塞就不能处理自己的工作了;采用第二种方式,父进程在处理自己工作的同时还要查看是否有子进程等待回收,程序实现复杂。
其实,子进程在终止时会给父进程发送SIGCHLD信号,该信号的默认处理动作是忽略,父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理动作,这样父进程就只需专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程终止时会通知父进程,父进程在信号处理函数中调用wait或waitpid函数清理子进程即可。
例如,下面代码中对SIGCHLD信号进行了捕捉,并将在该信号的处理函数中调用了waitpid函数对子进程进行了清理。
#include
#include
#include
#include
#include
void handler(int signal)
{
printf("get a signal: %d\n", signal);
int ret = 0;
while (ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0)
{
printf("wait child %d success\n", ret);
}
}
int main()
{
signal(SIGCHLD, handler);
if (fork() == 0)
{
printf("child is running, pid: %d\n", getpid());
sleep(3);
exit(0);
}
while (1);
return 0;
}
注意:
这样一来,父进程就只需要专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程在终止时父进程收到SIGCHLD信号,会自动进行该信号的自定义处理动作,进而对子进程进行清理。
要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调用signal或sigaction函数将SIGCHLD信号的处理动作设置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户使用sigal或sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的。但是这种方法只对于Linux可用,在其他UNIX系统中不一定可用。
下面代码中调用sigal函数将SIGCHLD信号处理动作设置为忽略
#include
#include
#include
#include
int main()
{
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
if (fork() == 0)
{
printf("child is running, pid: %d\n", getpid());
sleep(3);
exit(0);
}
while (1);
return 0;
}
这样子进程就会在终止时自动被回收,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。