Linux进程信号

概念

信号与信号量是不同的概念。

什么是Linux信号？

本质上是一种通知机制，用户或者OS通过发送信号，告诉进程需要做什么。
例如：ctrl + c 本质就是向进程发送2号信号，终止进程。

1. 进程要处理信号，必须具备信号“识别”的能力（看到 + 处理动作）
2. 信号的处理不是立即的
3. 信号会临时记录对应的信号，方便后续处理
4. 一般而言，信号的产生相对与进程而言是异步的

通过kill -l 可以察看系统定义的信号列表：

[1,31]普通信号，[34,64]实时信号

信号行为（core dump）

通过man -7 signal 查看信号的处理动作：

• $Term(terminal)$ 表示终止进程
• $Core(CoreDump)$ 表示核心转储，默认关闭。
  在进程等待中也出现了这个名词：
  

首先解释什么是$CoreDump$。当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的用户空间内存数据全部 保存到磁盘上，文件名通常是$core$,这叫做$CoreDump$。进程异常终止通常是因为有$Bug$，比如非法内存访问导致段错误，事后可以用调试器检查 $core$ 文件以查清错误原因，这叫做$Post-mortemDebug$（事后调试）。一个进程允许产生多大的$core$文件取决于进程的$ResourceLimit$(这个信息保存 在 $PCB$ 中)。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 $ResourceLimit$ ，允许 $core$ 文件最大为 $1024K$ : $ ulimit -c 1024

在gdb中可以通过core-file core文件 命令来加载core文件，直接将定位到出错位置

如何理解信号被进程保存：

表示信号有两点：

1. 什么信号
2. 是否产生

进程必须通过数据结构来保存信号（位图），也就是在进程PCB内部有信号位图字段

信号发送的本质：

OS 向目标进程发送信号就是修改其信号位图

产生信号

1. 终端按键（组合键）变成信号：

ctrl + c   	# 终止进程

如何理解终端按键（组合键）变成信号：

键盘工作的方式是通过：中断方式进行的，能够识别每个按键，同样能识别组合键。
OS解释组合键 ——> 查看进程列表 ——> 前台运行的进程 ——> OS 写入对应信号到进程内部的位图结构中

2. 通过系统调用接口向进程发送信号

kill命令就是通过调用kill函数实现的

如何理解系统调用产生信号：

用户调用系统调用 ——> 执行OS的系统调用代码 ——> OS 提取参数 ——> OS向目标进程写入信号 ——> 修改对应进程的信号标志位 ——> 进程处理信号 ——> 执行对应的处理动作

3. 软件条件产生信号

• 管道读端关闭，写端一直写，写的进程会自动退出，就是因为OS向该进程发送了 14) SIGPIPE 信号。

• alarm函数

如何理解软件条件产生信号：

OS先识别到某种软件条件触发或不满足 ——》 OS 构建信号，发送给指定信号

4. 硬件异常产生信号

1. 浮点数溢出错误

当程序中发生除0时，就会发生 Floating point exception（浮点数溢出） 错误，就是产生了8) SIGFPE信号。默认情况下会直接终止进程，如果通过signal自定义行为就会一直执行自定义的行为，为什么呢？

如何理解除0

进行计算的时CPU这个硬件，CPU内部是有寄存器的，对于计算状态有一个单独的状态寄存器（位图），发生了浮点数溢出错误溢出标志位就会被设为1，后面每次都会检测状态寄存器都会立即检测到溢出状态并向对应进程发送 8 号信号，但是状态寄存器里面溢出标志位不会被清空，所以该进程一直都是溢出状态，一直向进程发送 8 号信号

2. 野指针或越界错误

访问野指针或者越界会触发 11) SIGSEGV 信号，发生 segment fault（段错误）

如何理解段错误：

我们拿到的地址都是虚拟地址，访问目标地址时需要通过页表 + MMU（Memory Manage Unit，硬件）当转换成物理地址。如果时非法地址，MMU转换时会报错，也就是产生 11 号信号

总结

所有的信号都是由OS识别并发送的。

信号阻塞

概念

• 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，称为信号未决(Pending)。
• 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
• 被阻塞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，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

在内核中的表示

• SIG_DFL 和 SIG_IGN 是宏，转换成指针函数的整数 0 和 1，进行信号递达前需要先将信号处理函数转换成整数，判断是忽略函数进行默认动作。
• 9) SIGKILL 不会被阻塞
• 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。
• 信号产生没有递达会一直处于未决状态，如果信号阻塞，信号将一直处于未决状态。即便是忽略信号也是如此
• 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。

例子：

• 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 （信号集）

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。下一节将详细介绍信号集的各种操作。 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

用户只能通过特定的函数才能操作信号集：

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

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。

• 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置位，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

[外链图片转存中…(img-6d1bac13463fafe114937ff59004.png)

信号捕捉

信号有三种处理方法：

1. 默认行为（OS定义的行为）
2. 忽略（不做任何处理）
3. 自定义行为（用户自定义的行为）

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。

信号捕捉流程

简化一下就是：

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函 数，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。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。 如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

进程如何从用户态进入内核态：

CPU有两套寄存器，一套用来计算，一套自用，自用中有一个CR3表示当前CPU的权限。发生异常或者调用系统调用时，会先执行 int 80 将权限转为内核态。想要执行进程地址空间中的 3~4G 系统代码，也是如此。

通过signal函数自定义对应信号的捕捉动作

signal函数

9号信号不会被捕捉

sigaction

#include <signal.h>

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int); 	# 信号处理方法
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask; 	# 信号集
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

参数：
	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。signo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:

	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。

处理信号时的信号屏蔽：

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。

可重入函数

main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1，插入操作分为两步，刚做完第一步的 时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回用户态之前检查到有信号待处理，于是切换 到sighandler函数，sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2，插入操作的 两步都做完之后从sighandler返回内核态，再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续 往下执行，先前做第一步之后被打断，现在继续做完第二步。结果是，main函数和sighandler先后 向链表中插入两个节点，而最后只有一个节点真正插入链表中了。

像上例这样，insert函数被不同的控制流程调用，有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，这称为重入，insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，像这样的函数称为 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，则称为可重入(Reentrant) 函数。大部分的函数都是不可重入的，可重入函数的成本要比不可重入函数的成本高得多。

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:

• 调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。

• 调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

volatile

有时编译器将会对代码进行优化，例如：一个全局变量在main函数中没有被修改，那么CPU访问该变量时将会是直接通过寄存器访问，也就是内存不可见。当该变量在函数中被修改时，可能会影响到程序的运行结果。

volatile可以解决该问题，保持内存可见性。

volatile int flag = 0;

SIGCHLD信号

子进程在终止时会给父进程发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信号的处理函数，这样父进程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清理子进程即可。

子进程退出时，父进程不处理会产生僵尸进程，要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为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用sigaction函数自定义的忽略 通常是没有区别的，但这是一个特例。