Linux信号处理详解：从基本概念到高级应用

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前言：

在Linux系统中，信号（Signal）是操作系统用来通知进程发生某些事件的一种机制。信号是一种软件中断机制，可以被进程用来响应特定的事件，如终止进程、暂停进程、重新加载配置等。信号机制是Unix及其衍生系统的核心功能之一

什么是信号

生活中的信号也可以理解为一种通过特定方式传递信息、指令或警告的方式。在日常生活中，信号无处不在，帮助我们理解周围环境并做出反应。以下是一些常见的生活中的信号：

• 交通灯：交通信号灯（红灯、绿灯、黄灯）是最常见的生活信号之一。通过颜色的变化来指示司机和行人是“停车”、“前进”还是“等待”。

• 语言表达：人们通过语言交流时，语气、词汇、语法等本身就是信号。例如，愤怒的语气、温柔的话语或请求，都传递了不同的情感或意图。

• 手机通知：手机的振动或铃声是用来提示有来电、短信、邮件等通知的信号。

• 天气变化：天气的变化可以是自然界给我们发出的信号。例如，乌云密布通常预示着即将下雨，气温变化可能暗示季节的变化。

Linux中常见的信号

• SIGINT (2)：中断信号，通常由用户通过Ctrl+C触发。默认行为是终止进程。（退出码也是异常退出）

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• SIGKILL (9)：强制终止进程信号，进程无法捕获或忽略该信号，收到后立即终止进程。

信号的概念

信号是操作系统用来与进程交互的一种方式，通过信号，操作系统能够控制进程的执行流，处理错误或执行特定任务。

• 查看信号：

kill -l

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信号的处理方式

进程可以根据不同需求对信号进行以下三种处理：

1. 忽略信号：进程可以选择忽略某个信号。例如，使用 signal(SIGINT, SIG_IGN) 忽略 SIGINT 信号，进程将不会因按下 Ctrl+C 而被终止。

2. 自定义处理信号：进程可以为信号指定一个自定义的信号处理函数。进程接收到信号时，操作系统会调用该函数来处理信号。例如，可以通过 signal(SIGTERM, my_handler) 设置当进程接收到 SIGTERM 信号时，调用 my_handler() 函数进行处理。

3. 默认处理：如果进程没有特别指定对某个信号的处理方式，操作系统会采用默认行为。例如，默认情况下 SIGINT 信号会终止进程，SIGSEGV 会让进程崩溃。

signal函数

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

typedef void (*sighandler_t)(int);//函数指针类型 参数是int 返回值是void

参数说明：

• signum：要捕获的信号编号。它是一个整数值，表示特定的信号。例如，SIGINT 用来捕获中断信号（Ctrl+C），SIGTERM 用来请求终止进程等。

• handler：信号处理函数。当进程接收到指定的信号时，操作系统会调用这个函数。这个函数应该符合 sighandler_t 类型（通常是 void handler(int sig) 类型的函数）。

信号的产生

通过终端按键产⽣信号

• Ctrl + C : 本质是2号信号。
• Ctrl + Z : 本质是3号信号。

#include     
#include    
#include       
#include       
#include        

// 信号处理函数
void myheander(int signo)
{
    std::cout << "signo: " << signo << std::endl;  // 输出捕获到的信号编号
    sleep(3);  // 模拟处理信号的延时操作
    exit(1);  // 退出程序，返回1表示异常终止
}

int main()
{
    while(true)  // 无限循环，模拟程序持续运行
    {
        signal(SIGINT, myheander);  // 设置 SIGINT 信号的处理函数为 myheander
        std::cout << "The process is running ...   Pid: " << getpid() << std::endl;  // 输出进程的PID
        sleep(1);  // 每秒输出一次当前的进程信息
    }
    return 0;  // 退出程序，理论上不会执行到这行代码
}

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分析：

• 在左侧的终端中，程序输出 "The process is running ..." 和对应的进程ID（例如，Pid: 26956）。当用户按下 Ctrl+C（产生 SIGINT 信号）时，程序捕获到信号并打印 "signo: 2"。
• 右侧的终端展示了用户通过 kill -2 27041 命令向进程ID为 27041 的进程发送 SIGINT 信号。
  • kill 命令用于向进程发送信号。-2 是 SIGINT 信号的数字表示（等同于按 Ctrl+C），27041 是目标进程的进程ID。

同理：Ctrl + Z一样子可以得到证明。

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通过kill在终端杀死进程

• 在终端中用 kill杀死进程

通过函数产生信号

kill

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int kill(pid_t pid , int sig);

参数：

• pid ：目标进程的PID（进程ID）。可以指定一个特定进程，或者发送信号给进程组或所有进程：

  • 如果 pid 是一个正数，表示发送信号给 PID 对应的进程。
  • 如果 pid 是 0，表示向与当前进程同属一组的所有进程发送信号。
  • 如果 pid 是 -1，表示向所有进程发送信号。

• sig：要发送的信号。可以使用预定义的信号常量，如 SIGINT、SIGKILL 等

#include   
#include   
#include      
#include       
#include       


int main()
{
    int cnt = 5;  // 定义一个计数器，控制循环次数
    while(cnt--)  // 循环5次
    {
        signal(SIGQUIT, myheander);  // 设置 SIGQUIT 信号的处理函数为 myheander
        std::cout << "The process is running ...   Pid: " << getpid() << std::endl;  // 输出当前进程的PID
        sleep(1);  // 每秒输出一次当前进程的信息
    }

    kill(getpid(), SIGKILL);  // 发送 SIGKILL 信号终止当前进程
    return 0;  // 程序结束
}

• 信号处理

  • 当程序收到 SIGQUIT 信号时，调用 myheander 函数，打印信号编号并退出程序。

• 循环：

  • 程序通过一个循环执行5次，每次输出进程信息并设置信号处理。

• 强制退出：

  • 在循环结束后，程序通过 kill(getpid(), SIGKILL) 发送 SIGKILL 信号来强制结束当前进程。

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• 通过9号信号直接杀死进程。

• kill 命令用于向进程发送信号。-2 是 SIGINT 信号的数字表示（等同于按 Ctrl+C），27041 是目标进程的进程ID。

raise

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• sig：指定要发送的信号，可以是任何有效的信号常量

#include   
#include   
#include      
#include       
#include     

int main()
{
    int cnt = 5;  // 定义一个计数器，循环5次
    while(cnt--)  // 每次循环减少计数器
    {
        signal(SIGQUIT, myheander);  // 设置 SIGQUIT 信号的处理函数为 myheander
        std::cout << "The process is running ...   Pid: " << getpid() << std::endl;  // 输出当前进程的PID
        sleep(1);  // 每秒输出一次进程信息
    }

    raise(SIGKILL);  // 发送 SIGKILL 信号，强制终止当前进程
    return 0;  // 程序结束（实际上不会执行到这里，因为进程会在发送 SIGKILL 后被终止）
}

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• 效果是和kill是一样的。
• raise：用于在进程内部模拟或触发信号，通常用于程序自身的信号处理或测试。raise 向调用它的进程发送信号，并由该进程的信号处理函数处理该信号。
• kill：用于进程间的通信，可以用于发送信号给任何进程或进程组。kill 常用于终止进程、暂停进程等操作。

abort

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#include   
#include   
#include      
#include       
#include     

int main()
{
    int cnt = 5;  // 定义计数器，循环执行5次
    while(cnt--)  // 计数器递减，每次循环执行
    {
        signal(SIGQUIT, myheander);  // 设置 SIGQUIT 信号的处理函数为 myheander
        std::cout << "The process is running ...   Pid: " << getpid() << std::endl;  // 输出当前进程的PID
        sleep(1);  // 每隔1秒输出一次进程状态
    }

    abort();  // 强制终止当前进程，并生成核心转储（如果启用）
    
    return 0;  // 这行代码不会执行，因为进程已经在 abort() 后终止
}

abort()：

• abort() 被调用时，程序会立即中止，并且通常会生成一个核心转储（如果启用了核心转储）。abort() 会发送 SIGABRT 信号，导致进程异常终止，不会进行正常的清理操作。

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验证6号信号：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void myheander(int signo)
{
    std::cout << "SIGABRT----"<<"signo: " << signo <<std::endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    int cnt = 5;
    signal(SIGABRT,myheander);
    while(cnt--)
    {
        signal(SIGQUIT, myheander);
        std::cout << "The process is running ...   Pid: " << getpid() <<std::endl;
        sleep(1);
    }
    abort();
    return 0;
}

执行：

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异常

除0错误

#inclde<iostream>

int main()
{
    int x = 10;
    int y = 0;
    int c = x / y;

    std::cout << "Calculation completed"<<std::endl; 

    return 0;
}

触发原理：

• CPU检测：CPU （依赖：算术逻辑单元（ALU））在执行除法时，检查除数是否为零，触发异常。
• 硬件中断：触发硬件中断或陷阱，操作系统介入。
• 操作系统处理：操作系统处理异常，可能发送信号给进程。
• 信号响应：进程根据是否捕获信号来决定是否处理或终止。

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野指针错误

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main()
{
    int *p = NULL;
    *p = 10;

    std::cout << "completed"<<std::endl; 

    
    return 0;
}

• 操作系统通过内存管理单元（MMU）来监控进程对内存的访问。当进程试图访问未分配、保护或非法的内存地址时，MMU 会触发硬件中断，报告错误给操作系统。

• 操作系统检测到该非法访问后，通常会通过发出 SIGSEGV 信号终止程序，并可能生成核心转储文件（core dump），以便开发人员进行调试。

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软件条件（alarm）

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unsigned int alarm(unsigned int seconds);

参数

• seconds：指定定时器的时间，单位为秒。函数会在 seconds 秒后触发 SIGALRM 信号，通知进程时间到达。

返回值

• 返回值：该函数返回当前定时器剩余的时间（即上一个定时器设定的秒数），如果没有设置定时器，则返回 0。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


void myheander(int signo)
{
    std::cout << "SIGABRT----"<<"signo: " << signo <<std::endl;
    int ret =alarm(2);
    std:: cout << ret<<std::endl;
}

int main()
{   signal(SIGALRM,myheander);
    unsigned int n = 5;
    alarm(20);
    while(n--)
    {
        std::cout << "process id running.."<<"Pid: "<<getpid()<<std::endl;
        sleep(1);
    }

    
    return 0;
}

• 等待闹钟的响应。

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可以看到在在第四秒的时候发送14号信号（alarm），alarm的返回值是16.