[Linux打怪升级之路]-信号的产生

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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目录

一、信号基础知识

1、信号是什么

2、信号的定义

3、信号的处理方式 

二、有关信号操作的函数

1、signal函数(捕捉信号)

2、kill函数

3、raise函数

4、abort函数

三、信号的产生 

1、通过终端按键产生信号

2、调用系统函数向进程发信号

3、硬件异常产生信号 

4、由软件条件产生信号 

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本期学习目标： 了解什么是信号，明白部分信号操作的相关函数，理解信号产生的过程

一、信号基础知识

1、信号是什么

        在日常生活中，我们在遇到十字路口过马路，我们知道红灯停绿灯行。为什么我们能够知道红灯停绿灯行呢？这不难理解，这些规则都刻画在我们的脑海中了，也就是说红灯其实就是一种信号，当我们识别红灯信号，大脑就会做出反应控制身体不动，当然有时候会人闯红灯，信号肯定是会传递了的，也就是说其实信号也是可以被忽略的。

那在Linux下的信号又是指的是什么

下面我们见一个现象

这里我们运行程序，当我们按下Ctrl+c将的时候，我们发现进程退出。

 这也就说明，操作系统肯定给进程发送了一个信号。

操作系统发送一个SIGINT信号给当前正在运行的进程。SIGINT信号表示一个中断请求，它的默认行为是终止进程。

当你按下Ctrl+C时，终端会捕获这个键盘事件，并转发一个SIGINT信号给当前在前台运行的进程。这个信号告诉进程有一个中断请求，通常意味着用户希望终止该进程。

2、信号的定义

信号是一个用来表示事件或消息的物理量。在操作系统中，信号是一种软件中断，用于通知进程发生了某个事件。这种事件可能是硬件异常、用户键入特殊的终端控制字符，或者其他进程发送给该进程的消息。每个信号都有一个唯一的正数描述和一个符号名。例如，SIGINT是用于表示中断的信号，其编号通常是2。信号可以用于进程间的简单通信，也可以用于处理异步事件

在操作系统下我们可以通过：

//查看系统定义的命令
kill -l

在Linux中总共62共信号 

• 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,这里只讨论编号34以下的信号,不讨论实时信号。这些信号各自在什么条件下 产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明: man 7 signal

//查看7号手册
man 7 signal

3、信号的处理方式 

在Linux中，信号处理的常见方式包括以下几种：

1. 忽略信号：进程可以选择忽略某些信号，即当这些信号发生时，进程不会执行任何操作。这种方式可以用于屏蔽一些不必要的信号干扰。
2. 默认行为：对于每个信号，系统都定义了一个默认行为。如果进程没有为某个信号设置自定义处理函数，那么信号发生时将会执行默认行为。默认行为可以是终止进程、忽略信号、停止进程等。
3. 自定义处理函数：进程可以通过信号处理函数来捕获信号，并在信号发生时执行自定义的操作。这种方式常用于实现一些特定的行为，比如在接收到某个信号时进行日志记录、清理资源等。进程可以使用signal函数或者sigaction函数来设置信号处理函数。

二、有关信号操作的函数

1、signal函数(捕捉信号)

功能：用于捕捉信号并执行相应的处理操作

原型：  sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数 ：

        signum：要捕捉的信号编号

        handler：指定一个函数指针，它指向的信号处理函数将在接收到指定的信号时被调用

返回值：signal函数返回之前为sig信号设置的处理函数的地址

typedef void (*sighandler_t)(int);

这里我们要特别  sighandler_t其实是一个函数指针。

signal函数的第二个参数handler是一个指向信号处理函数的指针，也就是sighandler_t类型的函数指针。这个参数用于指定当信号发生时应该执行的函数。

使用handler参数的方式如下：

1. 自定义信号处理函数：首先，你需要定义一个符合sighandler_t类型的函数，即接受一个整数参数（信号编号）并返回void的函数。这个函数将用于处理信号。例如：

   void my_handler(int signal_num) {  
       // 处理信号的代码  
   }

2. 设置信号处理函数：使用signal函数来设置信号的处理函数。将信号编号和自定义的处理函数作为参数传递给signal函数。例如，为了设置SIGINT信号（通常由Ctrl+C发送）的处理函数为my_handler

   signal(SIGINT, my_handler);

注意：

• 处理函数通常会根据信号编号采取不同的操作。因此，在处理函数中，你可以使用传递的信号编号来判断是哪个信号被接收。
• 如果你将handler设置为SIG_IGN，那么信号将被忽略。
• 如果你将handler设置为SIG_DFL，那么将采取信号的默认行为。

举例用法：

#include
#include
#include

using namespace std;

void my_handler(int signal_num)
{
    cout<< "接收到的信号码: "<

这里我们发现，当我们在按Ctrl+ c，进程不再中止，而是去执行my_handler函数中的操作，singal也捕获了2号命令。(这里我们是用kill -9 pid中止进程的) 。

2、kill函数

功能：用于向指定进程发送信号

原型： int kill(pid_t pid, int sig)

参数 ：

       pid：数指定要发送信号的进程ID

        sig：参数指定要发送的信号类型

返回值：当调用成功时，kill函数返回0；否则，返回-1并设置errno来表示错误原因

 kill函数可以发送多种类型的信号，例如：

• SIGINT：中断进程。通常是通过用户按下Ctrl+C来产生的。
• SIGTERM：终止进程。这是一个终止进程的请求，进程可以捕获该信号进行清理操作，然后退出。
• SIGKILL：强制终止进程。这个信号会直接终止进程，进程无法捕获或忽略它。 

3、raise函数

功能：用于发送信号给当前进程

原型：int raise(int sig)

参数 ：

        sig：参数指定要发送的信号类型

 当调用raise函数时，它会向当前进程发送指定的信号。如果信号处理程序已经注册了对应的信号，它将被调用进行处理。否则，默认的信号处理动作将被执行，可能会导致进程终止、停止或忽略信号。

举例：

#include
#include
#include
#include

using namespace std;

void my_handler(int signal_num)
{
    cout<< "接收到的信号码: "<

 

4、abort函数

功能：用于异常终止程序的函数

原型：void abort(void);

调用abort函数将导致程序异常终止，并返回一个非零的退出码给操作系统，以指示程序异常结束。

由于abort函数会立即终止程序，所以它通常会在发现严重错误的情况下使用，例如内存泄漏、无效参数等。它向程序员提供了一种机制，用于在无法恢复正常执行流程的情况下紧急停止程序。

然而，由于abort函数不进行任何清理操作，因此不建议在正常情况下使用它来结束程序。在大多数情况下，应该尝试通过其他方式恢复程序的执行，或者使用更适当的函数来进行正常的程序终止，如exit函数。

三、信号的产生 

1、通过终端按键产生信号

通过终端按键产生信号是指用户在终端（命令行界面）按下特定的按键组合，向当前进程发送一种信号。这种信号可以是一种通知或请求，告诉进程执行某种特定的操作。

在Unix和类Unix系统中，终端按键可以产生信号，这些信号可以与进程进行交互。例如，当用户按下 Ctrl+C 组合键时，会向当前正在运行的进程发送一个 SIGINT 信号。这个信号的默认处理动作是终止进程。

类似地，还有其他按键组合可以发送不同的信号，比如 Ctrl+\ 会发送 SIGQUIT 信号，默认处理动作也是终止进程，并生成 core dump 文件。

这种通过终端按键产生信号的方式，提供了一种用户与进程交互的手段，用户可以通过这种方式控制进程的行为，比如终止进程、暂停进程等。同时，进程也可以根据自身需要对这些信号进行处理，比如忽略信号、自定义处理函数等。

那么core dump (核心转储)又是指的什么呢？

       首先解释什么是Core Dump。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Core Dump。

        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-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(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Resource Limit,允许core文件最大为1024K: $ ulimit -c 1024

这里本系统出于上面所说的安全等因素考虑core file size文件数量是0 

2、调用系统函数向进程发信号

这里我们可以通过系统函数kill，raise,abort函数来向进程发送我们想要的信息

 int cnt = 0;
    while(cnt <= 10)
    {
        printf("cnt : %d ,pid: %d\n",cnt++,getpid());
        sleep(1);
        // if(cnt >= 5) abort();
        if(cnt >= 5) raise(9);
    }

 调用abort终止程序

 调用raise(9)终止程序

3、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。

除以0的指令

当我们在编写的程序进行除0操作，为什么就会发送8好信号终止进程呢?

通过下图进行理解：

当我们进行除0操作，在CPU中有一个专门用来检测运算的，状态寄存器，里面有一个溢出标记位当除0时，标记位就会溢出，从而被操作系统知晓，发送8好信号给进程。 

非法内存地址 

OS怎么知道呢？？我野指针了呢？，为什么程序中有野指针就会崩溃？

我们知道，其实指针指向的是虚拟地址，通过页表映射到物理地址，当指针越界访问的时候，操作系统就可以察觉到，从而对进程发送11号信号终止进程。

void my_handler(int signal_num)
{
    cout<< "接收到的信号码: "<

4、由软件条件产生信号 

在理解软件条件产生信号之前，我们需要理解allarm函数

头文件：#include unsigned

类型：int alarm(unsigned int seconds);

用途：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。

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后 响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就 是10分钟。如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

void my_handler(int signal_num)
{
    cout<< "接收到的信号码: "<

这里是没有用signal捕捉信号 

 这里是用singal捕捉了14号信号

 从现象上来看，当调用alarm函数，在经过设置的时间后，会给进程发送14号信号。

总结思考

上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么？

这是因为操作系统是计算机硬件和软件之间的中介，负责管理计算机的资源，并提供一个运行环境，使得程序能够在计算机上正确、高效地运行。 

 OS是进程的管理者 信号的处理是否是立即处理的？

信号的处理并不一定是立即的，它取决于信号的类型以及接收进程的状态 

在合适的时候 信号如果不是被立即处理，那么信号是否需要暂时被进程记录下来？ 

是的，如果一个信号在适当的时候不能立即处理，操作系统通常会将信号暂时记录下来，以便稍后处理。这种记录信号的机制通常称为信号队列（Signal Queue）。

信号队列允许操作系统将接收到的信号排队，而不会丢失它们。每个进程都有一个相关联的信号队列，用于存储接收到的信号。当信号到达时，它会被添加到接收进程的信号队列中。接收进程可以随后检查队列中的信号并决定如何处理它们。

一个进程在没有收到信号的时候，能否能知道，自己应该对合法信号作何处理呢？ 

一个进程可以预先定义信号的处理方式，无论是否收到信号。这就是通过设置信号处理程序（Signal Handler）来实现的。信号处理程序是一段特定的代码，它规定了进程在接收特定信号时应采取的操作。

进程可以使用操作系统提供的系统调用（如signal()、sigaction()等，具体取决于操作系统和编程语言）来注册信号处理程序。一旦设置了信号处理程序，当进程接收到相应的信号时，操作系统将执行信号处理程序中定义的操作。

如何理解OS向进程发送信号？能否描述一下完整的发送处理过程？

操作系统（OS）可以向进程发送信号，这是一种进程间通信的机制，用于通知接收进程发生了某些事件或条件。下面是完整的发送信号的处理过程：

1. 信号产生：信号的产生通常是由操作系统、其他进程或硬件事件引发的。信号可以表示不同的事件，如用户按下终止键（Ctrl+C），进程除零错误，或者定时器超时等。

2. 信号的种类：每个信号都有一个唯一的标识符，如SIGTERM、SIGINT、SIGSEGV等，用来表示不同的事件类型。操作系统和程序员可以根据需要定义自定义信号。

3. 信号发送：操作系统将信号发送给目标进程。这通常涉及到操作系统查找目标进程的进程标识符（PID）或进程组标识符（PGID），然后将信号发送给目标。

4. 信号传递：操作系统将信号传递给目标进程。目标进程的执行可能会被中断，以便它可以处理接收到的信号。这意味着操作系统在进程执行期间会修改进程的执行流程，以引发信号处理。

5. 信号处理程序执行：目标进程在接收到信号后，会查找它为该信号注册的信号处理程序。信号处理程序是一段用户定义的代码，用于定义在接收信号时应执行的操作。处理程序可以是默认的操作，用户自定义的操作，或者忽略信号。

6. 信号处理：根据信号处理程序的定义，进程采取相应的操作。这可以包括终止进程、忽略信号、记录事件、执行自定义操作等。处理程序执行后，进程可以继续执行原来的任务。

7. 信号传递结果：在信号处理程序执行后，进程可以向操作系统报告信号的处理结果，通常以退出状态码的形式。这可以帮助操作系统了解信号处理的成功与否，以及进程是否需要进一步处理。

总结来说，操作系统向进程发送信号的过程涉及信号的产生、发送、传递、处理，以及可能的反馈。这种机制使得操作系统和不同进程之间能够进行通信和协作，通常用于处理异常情况、用户交互、进程控制等。