Linux信号详解
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前言
一、信号概念
1、生活中的信号
2、计算机中的信号
3、实现信号捕捉
二、产生信号的方式
1. 通过终端按键产生信号
格外拓展：核心转储（core dump）
status
2、调用系统函数向进程发信号
3. 由软件条件产生信号
4、硬件异常产生信号
三、阻塞信号
1、概念
2、内核中的表示
3、信号集操作函数
3.1用户层函数
3.2 系统接口
四、信号捕获
1、用户态和内核态
2、内核如何捕获进程信号
2.1捕获信号过程
2.2 sigaction
五、函数的重入
六、c语言关键字volatile
总结
前言
哈喽，小伙伴们大家好，本篇文章我将和大家一起学习进程信号。进程在某种意义上其实和我们人很像。在大多数情况下，我们的日常生活就是起床、上课、学习、休闲、休息，按部就班的度过每一天。但有时候也会遇到突发状况，比如生病啦，或者家里突然有事需要回家啦，这些突发状况是不可避免的，因为往往是事情推着人走的，我们要有处理突发状况的能力。进程也是如此，通常情况下按部就班的运行着，但保不齐什么时候就遇到突发状况，为了保证进程能在突发状况中做出相应的处理，信号由此产生。操作系统会根据突发状况给进程传递不同的信号，让进程做出相应的处理。看到这里，大家是不是感觉到了信号是一个非常有用的东西呢，那么事不宜迟，拿好小本本，和我一起开始信号的学习吧。
一、信号概念
1、生活中的信号
信号不仅仅存在计算机中，同样存在我们的日常生活中。在谈计算机中的信号前，我们先来聊聊生活中的信号。
在日常生活中，信号与我们的关系有如下特征：
- 信号还没有产生的时候，我们要知道如何识别信号，并且知道接收信号后该如何反应。比如我们过马路时，我们首先需要知道红绿灯是一种信号，并且知道根据颜色的不同做出什么反应。这些东西往往是小时候爸爸妈妈教给我们的。所以我们得出一个结论：我们能够识别的信号特征，以及相应的处理过程是因为之前有人对我们进行过"教育"。
- 当信号产生的时候，我们不一定要立刻去处理信号，因为我们可能有优先级更高的事情。比如我们正在打游戏的时候显示快递到了，我们不会立刻去取，而是等游戏打完后找一个合适的时间去取。
- 信号已经产生，但我们暂时没有处理，那么一定要有某种方式记录这个信号已经产生。比如我们收到快递到了的信号后没有立刻去拿，但手机里的短信记录着快递已经到了。
- 处理信号时往往有三种方式：默认行为，自定义行为，忽略行为。比如我们在过马路的时候遇到红灯，默认行为是站在原地等。但有一次我突然想上厕所，于是趁着红灯的时间去了一下路边的厕所，这就是自定义行为。而忽略行为就是不管红灯的提示，径直走过马路。
2、计算机中的信号
在计算机中，进程就好比生活中的人，信号有以下特征：
- 进程虽然现在没有受到信号，但是进程一定知道如何识别信号和做出相应反应。程序员在设计进程的时候已经内置了处理方案，信号是进程中特有的特征。
- 进程在收到信号时可能不会立即处理，因为有优先级更高的事情。如果这样需要先把信号记录下来，等合适的时候再处理。
- 进程处理信号有三种方式：（1）默认行为：终止进程，暂停，继续运行等。（2）自定义行为，由我们自己编写。这种方式也称为捕捉一个信号（3）忽略信号。
可以看到，计算机中的信号和生活中的信号其实是很相似的。下面我们思考两个问题：
信号是如何记录的？
我们先来谈谈信号是如何记录的，在学习进程时候，我们应该了解了每个进程都对应一个task_struct（PCB）,在这个task_struct中，记录着进程的各种信息，各种信息中同样也包括信号的记录。信号在task_struct中是以位图的方式记录的，task_struct有变量signal，可以把它的类型理解成无符号整数。比特位的位置为信号编号，比特位的内容为是否收到信号，假如收到6号信号就会把第六个比特位置1。我们可以通过下面的命令查看信号编号。
命令：kill -l 功能：查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
- 31号之前为普通信号，34号之后为实时信号，本章我们主要讨论普通信号。
信号是如何发送的？
进程收到信号，本质上是进程的信号位图被改了。那么谁有权限改进程内的东西呢？答案当然是OS，操作系统是进程的管理者，拥有绝对的权限。所以信号发送的本质就是操作系统修改了进程的信号位图，进程根据修改后位图的值做出相应处理。
3、实现信号捕捉
signal函数
原型：signal(int sig, void (*func)(int))
功能：用来自定义信号处理方式
参数：
- sig：信号编号
- func为函数指针，传入的函数为信号的处理方式
代码如下：
代码运行结果如下，ctrl+c对应的是信号2，终止进程。我们可以发现信号2被我们自定义了。
注意：有些信号是不能被捕捉的，因为如果所有的信号都被捕捉，那么操作系统就再也没有办法杀死进程了。
二、产生信号的方式
1. 通过终端按键产生信号
通过终端按键也就是通过键盘产生信号，比如我们常用的ctrl+c。ctrl+/。
注意：
- Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。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到像 Ctrl-C 这种控制键产生的信号。
- 一个命令后面加个&可以放到后台运行,bash默认是前台进程，这样bash（Shell）不必等待进程结束就可以接受新的命令,启动新的进程。
- 前台进程在运行的任何时候都可能收到ctrl+c产生的信号发生终止，所以说信号对于进程的控制流程来说是异步。
格外拓展：核心转储（core dump）
man 7 signal 功能：查看信号详细信息
从上面我们可以看出：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,接下来我们来验证一下。
再验证之前我们先来学习一个概念：Core Dump
在程序正常结束后，我们可以通过错误码判断程序是否运行正确。但代码在运行过程中出错，我们也要有办法判断，其中一个方法就是调试，除此之外，linux为我们提供了核心转储功能。当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的核心内存数据全部保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump。
核心转储功能一般在云服务器，线上生产时是关闭的。
ulimit -a 查看系统资源
可以发现core文件大小为0。想要使用此功能，我们首先要改一下core文件大小。
修改后运行进程，然后发送信号让它异常终止：
可以发现在发送信号后进行了（core dumped），并且多出了一个core.6229文件。我们使用gdb调试myproc，再查看core文件，可以得到进程异常终止信息。这种方法也适用于代码中内存越界，除0等错误，可以快速定位到第几行。
status
大家是否还记得在进程等待的时候有一个status，被信号所杀时候，其中第低八位就是core dump标志，如果发生了core dump，则该位为1，否则为0。
2、调用系统函数向进程发信号
kill函数
kill命令：kill 进程pid 信号编号
kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。
int kill(pid_t pid, int signo);
signo为信号编号。成功返回0，失败返回-1。
我们也可以尝试自己来写一个kill命令。代码如下：
#include
#include
#include
void usage(char* proc)
{
printf("usage:%s pid signo\n ",proc);
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage(argv[1]);
return 1;
}
pid_t pid=atoi(argv[1]);
int signo=atoi(argv[2]);
kill(pid,signo);
return 0;
} raise函数
raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。
int raise(int signo);
成功返回0，失败返回-1。
abort函数
void abort(void);
功能：向自己发送6号信号SIGABRT
注意：SIGABRT可以被捕捉，但是捕捉之后依然会让进程终止，这就是SIGABRT的特点
就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。
3. 由软件条件产生信号
alarm函数
#include
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
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。
alarm的返回值是0或者是剩余秒数。如果闹钟被提前唤醒，返回值为剩余秒数，否则是0。
写一个计数程序，看看cou一秒钟可以计多少次数。
结果如下：
4、硬件异常产生信号
在代码中有野指针，除0等操作时程序会出现异常，这时候会产生信号，然后程序崩溃。程序崩溃的本质就是收到了信号。
下面对这个过程进行具体解释：以除0操作为例，我们知道计算都是在cpu中的，cpu中有一个状态寄存器，当进行除0操作后，状态寄存器会异常。os是软硬件的管理者，当检测到cpu状态异常后，会定位到相应的进程，更改进程的信号位图，进程通过位图识别到信号发生崩溃。
再比如当前进程访问了非法内存地址，负责虚拟地址与物理内存的一个硬件MMU会产生异常，之后和上述过程一样。
三、阻塞信号
1、概念
- 进程处理信号的动作叫做信号递达到。
- 信号从产生到递达的过程叫做信号未决。
- 进程可以选择阻塞某个信号，被阻塞的信号一直处在未决状态，只有解除了阻塞后才能进入递达。
- 阻塞和忽略是不一样的，只要有阻塞就不会递达，而忽略是递达后的一种处理动作。
2、内核中的表示
- 每个进程都有两个标志位，分别是阻塞（block）和未决（pending），还有一个函数指针指向信号处理的函数。
- 当函数产生后，内核在进程控制块中把pending被设为1，只有等函数递达，pending才变回0。
- SIGHUP信号未产生过。
- SIGINT信号产生了，正处于未决状态。由于被阻塞了，暂时不能递达。
- SIGQUIT信号还未产生，但是已经提前被阻塞，产生后会立刻进入阻塞状态。
- 在对某个信号进行阻塞过程中，如果这个信号产生了多次，常规信号只计最后一次。实时信号本文不考虑。
sigset_t类型
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。
3、信号集操作函数
3.1用户层函数
sigset_t每一位都代表一个信号的“有效”或“无效”状态，至于sigset_t内部是如何存储这些数据的我们不需要关心，是由操作系统去维护的。所以我们想要操作sigset_t变量要通过下面的这些函数，而不应该对内部数据有任何操作，因为这是没有意义的。
#include
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
- sigemptyset和sigfillset为初始化函数，初始化set所指向的信号集。sigempty将所有bit位清零，sigfillset将所有bit位置位。
- 在使用sigset_t类型的变量前，必须要对它进行初始化，使信号集处在确定状态。
- 在对sigset_t类型的变量初始化后，可以用sigaddset或sigdelste对信号集进行有效信号的增加和删除。
- 这四个函数都是成功返回1，失败返回0。
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);
sigismember是一个bool函数，用来判断某个信号集中是否包含某个有效信号，包含返回1，不包含返回0。
3.2 系统接口
我们上面定义的sigset_t类型变量是在栈中的，本质上是在用户层，没有进操作系统。我们对它的操作仅仅是改变这个变量的值，并不会影响进程的任何行为。我们想借助sigset_t类型变量影响系统和进程需要调用下面的接口。
sigprocmask函数
#include
原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);功能：来读取或更改进程的阻塞信号集。
返回值: 若成功则为0,若出错则为-1
如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值。
sigpending函数
#include
原型：int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。
下面我们写一个进程来完成以下操作：
- 将信号2阻塞
- 发送信号2
- 十秒后解除信号2阻塞
- 每隔一秒打印一次未决信号集
代码如下：
void hander(int signo)
{
printf("%d阻塞结束\n",signo);
}
int main()
{
sigset_t set,oset;
sigemptyset(&set);
sigemptyset(&oset);
sigaddset(&set,2);
sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oset);//将2阻塞
signal(2,hander);//捕获2信号
sigset_t pending;
int count=0;
while(1)
{
sigpending(&pending);//获取未决信号集
//每隔一秒打印未决信号集
signal_printf(&pending);
sleep(1);
count++;
if(count==10)
{
//十秒后解除阻塞
sigprocmask(SIG_SETMASK,&oset,NULL);
}
}
return 0;
}四、信号捕获
1、用户态和内核态
用户态：执行用户自己的代码，系统所处的状态叫做用户态。用户态是一种受监管的普通状态。
内核态：有时候我们写的代码中，调用了系统接口，本质上就是调用了内核级的代码，这时候就需要内核态权限。内核态通常用来执行os代码，是一种权限非常高的状态。
用户态->内核态：系统调用，时间片到了导致进程切换，异常，中断，陷阱，这些情况会切换到内核态。
内核态->用户态：系统调用，进程切换，异常，中断，陷阱处理完毕后，会切换回用户态。
在用户态时，访问用户的代码和数据，切换到内核态后，比如调用系统接口后，往往会执行操作系统内核中的代码。那么进程是怎么找到操作系统的呢？首先要明确一个概念，操作系统也是一款软件，既然是软件运行的时候就会被加载到内存中。每个进程都有一张地址空间表，这张表下半部分为用户区，通过用户页表映射找到内存中用户的代码和数据。上方为内核空间，保存了内核的虚拟地址，可以通过内核页表映射找到内存中操作系统内核的代码和数据。
进程无论如何切换，都能看到操作系统，但不一定能访问，只有处在内核态时才能够访问。那么处于内核态还是用户态的标志是什么呢？我们知道代码是加载到cpu中进行运算的，在cpu中有一个cr3寄存器，里面记录了是否此时的状态是用户态还是内核态。同时cpu中还有寄存器记录着用户页表和内核页表的值，当在某种状态下访问越界，cpu可以检索到。
2、内核如何捕获进程信号
2.1捕获信号过程
信号递达时处理的动作为用户自己定义的函数,这称为捕捉信号。
通过前文的学习我们知道，进程在收到信号后不一定是立刻处理的，而是等到适合的时候。那么什么是适合的时候呢？答案就是系统从用户态切到内核态后。
假设用户程序注册了信号2的处理函数sighandler。下面我来阐述捕获进程信号的过程：
- 当前正在运行main函数为用户态，此时发生了中断或程序异常，切换到内核态。
- 当中断处理完毕后在返回用户态的main函数前要检查是否有信号未决，假设收到了信号2，则先进入信号2的处理函数sighandler，由于sighandler是用户程序定义的，所以要切换到用户态。
- 等sighandler函数执行完毕后，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，这次返回用户态进入main函数中继续执行上下文。
思考一个问题：在内核态是否能调用用户的代码和数据呢？
理论上以内核的权限是可以的，但实际上并不能这么做，因为操作系统不信任任何人，它担心用户会越权执行一些非法操作。
2.2 sigaction
#include
原型：int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);功能：sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。
返回值：调用成功则返回0,出错则返回- 1。
参数：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:
sa_handler为我们自己定义的处理函数。当某个信号的处理函数被调用时，内核会自动将该信号加入当前进程的阻塞信号集，等调用结束后再恢复。这就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，会被阻塞到当前信号处理完毕为止。如果在调用信号处理函数时，除了阻塞当前信号外，还想阻塞其它信号，则用sa_mask设置，调用完毕后自动恢复。sa_flags涉及一些选项，而siginfo是实时信号的处理函数，本章不做解释。
测试代码如下：
struct sigaction act, oact;
void handler(int signo)
{
printf("get a signal: %d\n", signo);
sigaction(SIGINT, &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(SIGINT, &act, &oact);
while(1){
printf("I am a process!\n");
sleep(1);
}
return 0;
}五、函数的重入
我们来看下面的过程：
mian函数正在调用insert函数向链表中插入节点。insert函数分为两步，刚刚执行完第一步时此时硬件发生中断，使进程切换到内核。中断处理完毕切换到用户态之前发现有信号未决，于是进入了信号的处理函数，信号的处理函数中同样有insert操作，于是向链表中插入了一个新节点。进行完毕后返回到main函数，按照上下文接着执行main函数中insert函数的第二步，令头节点指向node1。从图中可以看出，这时候出现了一个问题，明明我们想要两个节点插入，可实际仅仅插入了一个，node2丢失了，也就是我们平常说的内存泄漏。
像上例这样，insert函数被不同的控制流调用，在第一次调用还没有返回时就再次进入该函数，这称为重入。如果insert访问的是一个全局链表，就可能因为重入而产生错误，这称为不可重入函数。相反，如果一个函数只访问自己的参数和局部变量，则称为可重入函数。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
- 调用了malloc和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，表述I/O库的很多实现也是通过不可重入的方式使用全局数据结构。
我们平常所调用的函数，自己写的函数，STL中的库函数基本都是不可重入的。
六、c语言关键字volatile
volatile是c语言中的一个关键字，在语言层面我们很难理解它，今天从信号角度我们来理解一下。
我们来看下面一段代码：
从代码表面看上去运行逻辑应该是，flag为0时候一直while循环，当有信号2产生进入到信号2的处理函数中，flag改成1，循环结束，进程退出。但是事实真的是如此吗？
我们用编译器O3的优化级别来编译（默认是O1或O2），然后运行，结果如下：
我们发现收到信号后进程并没有退出。原因是main函数和和信号处理函数是两个执行流，while循环在main函数中，编译器只会检查main函数，发现flag并没有main函数中改变。在优化级别较高的时候，flag会被直接写进cpu的寄存器中，cpu读取flag时直接从寄存器里读，信号处理函数改变flag改变的是flag在内存中的值，寄存器中flag的值始终保持0。
为了解决这个问题，我们可以在定义flag的时候前面加上volatile。
volatile int flag=0;再次编译运行，发现可以退出：
volatile的作用：
避免变量被写到寄存器中，就算写到内存器中，读取时也要先读取内存中的值，然后刷新到寄存器里。
总结
本文主要介绍了linux系统下信号的相关知识，希望能给大家带来帮助。如果觉得写的还不错的话可以点赞支持一下博主，我也将努力为大家带来更加优质的内容。感谢阅读，山高路远，来日方长，我们下次见。