Linux---信号详解

信号概念

查看信号

kill -l

一共62个信号 1 ~ 31称之为普通信号，34~ 64称之为实时信号
信号其实是一种宏

man 7 signal

信号概念

• 信号是进程之间的事件异步通知的一种方式，属于软中断

注意：

• ctrl c 产生的信号只能发送给前台进程，一个命令加&可以放到后台运行，这样Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程
• Shell可以同时运行一个前台进程和多个后台进程，，只有前台进程才能接到像ctrl c这种控制键产生的信号
• 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

信号处理方式概览

• 忽略此信号
• 执行该信号的默认处理动作
• 提供一个信号处理函数，要求在内核处理信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉一个信号

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(核心转储)

键盘组成产生的信号

信号获取

#include 
#include 
#include 
void handler(int signo)
{
  printf("got a signal! signo:%d\n",signo);
}
int main()
{

  signal(2,handler);
  while(1){
    printf("hello!\n");
    sleep(1);
  }//OS 把ctrl+c 解释成 SIGINT(2)
  return 0;
}

进程崩溃的解释

为什么C/C++进程会崩溃-》本质是收到了信号-》为什么会收到信号？-》信号都是由OS发送的

硬件异常产生信号

硬件异常通常被硬件以某种方式被硬件检测并通知内核，然后内核向当前将进程发送适当的信号

core dump

Core Dump:

• 当一个进程要异常终止，可以选择把进程的用户空间内数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core，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(此信息保存在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

查看核心转储

ulimit -a

将核心转储打开(0默认是关闭状态)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
  if(fork() == 0)
  {
    //child
    printf("I am child,pid:%d\n",getpid());
    sleep(2);
    //int a = 1 / 0;
   exit(0);
  }
  int status = 0;
  waitpid(-1,&status,0);
  printf("exit code:%d,core dump %d,signal:%d\n",(status >> 8)&0xff,(status >> 7)& 1,status & 0x7f);
  return 0;
}

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
  if(fork() == 0)
  {
    //child
    printf("I am child,pid:%d\n",getpid());
    sleep(2);
    int a = 1 / 0;
   exit(0);
  }
  int status = 0;
  waitpid(-1,&status,0);
  printf("exit code:%d,core dump %d,signal:%d\n",(status >> 8)&0xff,(status >> 7)& 1,status & 0x7f);
  return 0;
}

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
  if(fork() == 0)
  {
    //child
    printf("I am child,pid:%d\n",getpid());
    sleep(2);
    int *p = NULL;
    *p = 100;
   exit(0);
  }
  int status = 0;
  waitpid(-1,&status,0);
  printf("exit code:%d,core dump %d,signal:%d\n",(status >> 8)&0xff,(status >> 7)& 1,status & 0x7f);
  return 0;
}

进程被停止会被放在后台

除0异常

myproc.c

#include 
#include 
#include 
//void handler(int signo)
//{
//  printf("got a signal! signo:%d\n",signo);
//}
int main()
{

  //signal(2,handler);
  while(1){
    printf("hello!\n");
    sleep(5);
    int a = 1 / 0;
  }
  return 0;
}

Makefile

myproc: myproc.c
		gcc -o $@ $^ -g
.PHONY:clean
clean:
		rm -f myproc

野指针异常

myproc.c

#include 
#include 
#include 
//void handler(int signo)
//{
//  printf("got a signal! signo:%d\n",signo);
//}
int main()
{

  //signal(2,handler);
  while(1){
    printf("hello!\n");
    sleep(5);
    int *p = NULL;
    *p = 100;
  }
  return 0;
}

栈溢出异常

myproc.c

#include 
#include 
#include 
//void handler(int signo)
//{
//  printf("got a signal! signo:%d\n",signo);
//}
int main()
{

  //signal(2,handler);
  while(1){
    printf("hello!\n");
    sleep(1);
    int a[10];
    for(int i = 0;i <1000000;i++)//-std=c99
    {
      a[i] = i;
    }
  }
  return 0;
}

Makefile

myproc: myproc.c
		gcc -o $@ $^ -std=c99 -g
.PHONY:clean
clean:
		rm -f myproc

测试不同种类的键盘组合对应的是哪种信号

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
void handler(int signo)
{
  printf("get a signal,signo:%d\n",signo);
}
int main()
{
  for(int signo = 1;signo < 32;signo++)
  {
    signal(signo,handler);
  }//测试不同种类的键盘组合对应的是哪种信号
  while(1)
  {
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

查看后台任务

jobs

把后台进程放在前台，让进程立即运行

fg 1

OS不允许捕捉全部信号

由软件条件产生信号

SIGPIPE,SIGALRM

alarm信号

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int count = 0;
void handler(int signo)
{
  //alarm(1);
  printf("count: %d\n",count);
  exit(1);
}
int main()
{
  signal(SIGALRM,handler);
  alarm(1);
  //int count = 0;
  while(1){
   // printf("count is %d\n",count++);
   count++;
  }
 
  return 0;
}

调用系统函数向进程发信号

• kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给定一个指定的进程发送指定的信号。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)

#include 
int kill(pid_t pid,int signo);
int raise(int signo);
//成功返回0，错误返回1

#include 
#include 
#include 
void handler(int signo)
{
  printf("get a signo: %d\n",signo);
}
int main()
{
  signal(2,handler);
  while(1){
    printf("I am a process!,pid:%d\n",getpid());
    sleep(1);
    raise(2);
  }
  return 0;
}

• abort函数使当前进程接收到信号而异常终止
  

#include 
void abort(void);

#include 
#include 
#include 
#include 
void handler(int signo)
{
  printf("get a signo: %d\n",signo);
}
int main()
{
  signal(2,handler);
  while(1){
    printf("I am a process!,pid:%d\n",getpid());
    sleep(1);
    abort();
  }
  return 0;
}

系统调用向目标进程发送信号

简单实现一个kill命令
mykill.c

#include 
#include 
#include  
#include 
void Usage(const char *proc)
{
  printf("Usage:%s pid signo\n",proc);
}
int main(int argc,char *argv[])//命令行参数
{
  if(argc != 3){
    Usage(argv[0]);
    return 1;
  }
  pid_t pid = atoi(argv[1]);
  int signo = atoi(argv[2]);

  kill(pid,signo);
  return 0;
}

myproc.c

#include 
#include 
#include 
int main()
{
  while(1){
    printf("I am a process!,pid:%d\n",getpid());
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

Makefile

.PHONY:all
all:mykill myproc
myproc:myproc.c
		gcc -o $@ $^
mykill:mykill.c
		gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
		rm -f mykill myproc

总结

• 为什么所有信号产生由OS进行？OS是进程的管理者
• 信号的处理是在合适的时候
• 信号如果不是被立即处理，会被暂时记录在进程的PCB位图中

保存信号

阻塞信号

信号相关概念

• 实际执行的信号的处理动作称为信号递达
• 信号从产生到递达之间的状态称为信号未决
• 进程可以选择阻塞某个信号(Block)
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，知道进程解除对此信号的阻塞，才执行递达动作
• 阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会被递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作
  忽略：本质是处理信号的一种方式
  阻塞：本质是不让信号递达，直到解除阻塞

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，直到信号传递才清除该标志。在上图例子中，SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它传递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SIGQIUT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。如果在进程中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常规信号在递达之前产生多次只记一次，而实时信号在递达之前产生多次可以一次放在一共队列里。

sigset_t

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”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(Singal Mark)，这里的屏蔽应该理解为阻塞。

信号操作函数

sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示"有效"和"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，从使用者的角度不必关心，使用者只能调用函数来操作sigset)t变量，而不应该对它的内部数据做解释

#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);
int sigismember(const sigset_t *set,int signo);

• sigemptyset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号对应的bit清0，表示该信号集不包含任何有效信号。
• sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号对应的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signfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t信号变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在信号集中添加或删除某种有效信号
  这四个函数成功返回0，错误返回-1,sigismember是布尔函数，用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号，包含返回1，不包含返回0，出错返回-1.
  

sigprocmask

读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)

#include 
int sigprocmask(int how,const sigset_t *set,sigset_t oset);
//成功0，出错-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，更改进程的信号屏蔽字，参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针，则将原来的信号屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前信号屏蔽字为mask,下图为how参数的可选值

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(输出型参数)

练习

屏蔽2号信号

#include 
#include 
#include 

void printPending(sigset_t *pending)
{
  int i;
  for( i = 1; i <= 31;i++){
    if(sigismember(pending,i)){//判断信号是否在集合里
      printf("1 ");
    }
    else{
      printf("0 ");
    }
  }
  printf("\n");
}
int main()
{
  sigset_t set,oset;//用户空间定义的变量
  sigisemptyset(&set);
  sigemptyset(&oset);
  sigaddset(&set,2);//把2号信号添加到信号集
  sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oset);//阻塞2号信号
  sigset_t pending;
  while(1){
    sigemptyset(&pending);
    sigpending(&pending);//获取pending信号集
    printPending(&pending);//打印当前信号
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

#include 
#include 
#include 

void printPending(sigset_t *pending)
{
  int i;
  for( i = 1; i <= 31;i++){
    if(sigismember(pending,i)){//判断信号是否在集合里
      printf("1 ");
    }
    else{
      printf("0 ");
    }
  }
  printf("\n");
}
int main()
{
  sigset_t set,oset;//用户空间定义的变量
  sigisemptyset(&set);
  sigemptyset(&oset);
  sigaddset(&set,2);//把2号信号添加到信号集
  sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oset);//阻塞2号信号
  sigset_t pending;
  while(1){
    sigemptyset(&pending);
    sigpending(&pending);//获取pending信号集
    printPending(&pending);
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

信号捕捉

合适的时候：由内核态变成用户态的时候-》进行信号处理

内核如何实现信号的捕捉

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，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,eg:用户程序注册了SIGQUUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行main函数，这时发送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函数和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。

信号捕捉函数sigaction

#include 
int signaction(int signo,const struct sigaction *act,sturct sigation *oact);

• siagction函数可以读取和修改指定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sigation结构体：
  
• 将sa_hanlder赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为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。回调函数被系统调用

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，还希望自动屏蔽另一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外的屏蔽信号，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，一般设置为0;sa_sigation是实时信号的处理函数。

#include 
#include 
#include 
#include 

struct sigaction act, oact;
void handler(int signo)
{
  printf("get a signo:%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)//主进程
  {
    printf("I am a process!\n");
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

第一次捕捉，第二次恢复默认动作

可重入函数

A函数被中断执行信号捕捉，信号捕捉函数里又调用A函数叫做函数重入
一个函数在多个执行流下被同时进入的现象叫函数被重入，如果重入之后该函数出现错误,则该函数被称为不可重入函数，反之该函数被称为可重入函数
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入：

• 调用malloc或free，因为malloc是用全局链表来管理堆的
• 调用标准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

作用：保持内存可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对改变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作。（解决因编译器优化导致不正确执行）

#include 
#include 
#include 
#include 

volatile int flag = 0;
void handler(int signo)
{
  printf("get a signo:%d\n",signo);
  flag = 1;
}
int main()
{
  signal(2,handler);
  while(!flag);
  printf("Proc normal quit!\n");
  return 0;
}

SIGCHLD

• 父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞的查询是否有子进程结束等待清理(轮询)。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，父进程在子进程处理自己的工作的同时还要记得时不时轮询，程序实现复杂。
• 其实，子进程在终止时会给父进程发SIGCHLDA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，不必关系子进程，而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
• 不产生僵尸进程的另一种方法：父进程调用sigaction将SIGCHLD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，不会产生僵尸进程也不会通知父进程。系统，偶然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

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
void handler(int signo)
{
  printf("get a signo:%d\n",signo);
  int ret = 0;
  while((ret = waitpid(-1,NULL,WNOHANG))> 0){
    printf("wait child %d success\n",ret);
  }
}
int main()
{
  signal(17,handler);
  if(fork() == 0)
  {
    printf("child is running,begin dead:%d\n",getpid());
    sleep(2);
    exit(1);
  }
  while(1){

  }
  return 0;
}

会话

fg

放在前台

fg n

在bash中只能有一个前台进程

bg

放在后台

bg n

jobs

查看当前会话中有多少作业

指定查看选项

ps -o pid,ppid,session,tpgid,comm

每一次终端登录，本质都是先创建一个bash进程，称之为会话，所有命令行启动的任务都是在对应的会话内运行

进程组

每个进程除了有进程ID之外，还属于一个进程组，进程组是一共或多个进程的集合，通常，它们与同一作业相关联，可以接受来自同一终端的各种信号。每个进程组有一个唯一的进程组ID，每一个进程组都有一个组长进程，组长进程标志是其进程组ID等于进程ID。

守护进程

守护进程也称为精灵进程，是运行在后台的一种特殊进程，它独立于控制终端并且周期性执行某种任务或处理等待处理某种发生的事件。守护进程是一种很有用的进程，Linux大多数服务器就是守护进程实现的，eg:Internet服务器inetd，Web服务器http等。同时守护进程完成许多系统任务，eg：作业规化进程crond等
创建守护进程：

• 1、umask(0);
• 2、调用fork()，父进程退出(exit):保证子进程不是一个进程组的组长进程，如果该守护进程是作为一条简单的shell命令启动的，那么父进程终止使得shell认为该命令已经执行完毕
• 3、调用setsid创建一个新的会话：调用进程会成为新会话的首进程，成为一个进程组的组长进程，没有控制终端。
  

模拟实现守护进程

#include 
#include 
#include 
void my_daempn(int nochdir,int noclose)
{
  umask(0);
  if(fork() > 0){
    //father // 父进程是进程组长
    exit(0);//退出，不让当前进程是组长
  }
  signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
  setsid();//自成会话-》会话首进程有权限打开终端->防止再打开终端，再fork()退出父进程（不再是首进程）
  //守护进程本质是孤儿进程
  
  //防御性编程，非必须
  
  if(fork() > 0){
    //father
    exit(0);
  }//此时是孙子进程
  if(nochdir == 0){
    chdir("/");//更改目录
  }
  if(noclose == 0){
    close(0); 
    int fd = open("/dev/null",O_RDWR);
    if(fd < 0){
       return;
    }
    dup2(fd,1);//重定向到“垃圾桶”
    dup2(fd,2);
  }
  while(1);
}
int main()
{
  my_daempn(1,0);
  while(1){
    //进行某种周期性任务
    sleep(1);
  }
}

daemon函数