【Linux从青铜到王者】第十一篇:Linux进程间信号第一篇
作者：互联网
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- 本节重点：
- 掌握Linux信号的基本概念。
- 掌握信号产生的一般方式。
- 理解信号递达和阻塞的概念，原理。
- 掌握信号捕捉的一般方式。
- 重新了解可重入函数的概念。
- 了解竞态条件的情景和处理方式。
- 了解SIGCHLD信号， 重新编写信号处理函数的一般处理机制。
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前言
一、信号入门
1.生活角度的信号
- 你在网上买了很多件商品，再等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时，你该怎么处理快递。也就是你能“识别快递”。
- 当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是你正在打游戏，需5min之后才能去取快递。那么在在这5min之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成“在合适的时候去取"。
- 在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你“记住了有一个快递要去取"。
- 当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1. 执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）2. 执行自定义动作（快递是零食，你要送给你你的女朋友）3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔掉床头，继续开一把游戏）。
- 快递到来的整个过程，对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话。
2. 技术应用角度的信号
- 用户输入命令,在Shell下启动一个前台进程：
- 用户按下Ctrl+C ,这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程。
- 前台进程因为收到信号，进而引起进程退出。
1 #include<iostream>
2 #include<unistd.h>
3 int main()
4 {
5 while(1)
6 {
7 std::cout<<"i am process,i am waiting signal!"<<std::endl;
8 sleep(1);
9 }
10 return 0;
11 }
- 请将生活例子和 Ctrl-C 信号处理过程相结合，解释一下信号处理过程。
假设你的快递到了，快递员就像操作系统一样给进程发信号，快递员则打电话给你说你快递到了，然后我自己说等下下去取。就像使用键盘敲出ctrl+c一样给操作系统，然后操作系统发送信号给进程，进程然后终止。 - 进程就是你，操作系统就是快递员，信号就是快递。
3. 进程的注意事项
- 一个bash当中，终端终只能有一个前台进程。
- Ctrl-C 产生的信号只能发给前台进程。一个命令后面加个&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。
- 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有可能收到 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Asynchronous)的。
4. 信号概念
信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。
5. 用kill -l命令可以察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 #defineSIGINT 2。
- 编号34以上的是实时信号,本章只讨论编号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。
6. 信号处理常见方式概览
- (sigaction函数稍后详细介绍),可选的处理动作有以下三种：
- 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,要求内核在处理该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(Catch)一个信号。
二、信号产生
1. 通过终端按键产生信号
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,现在我们来验证一下。
- Core Dump
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
1 #include<iostream>
2 int main()
3 {
4 std::cout<<"hhh----Core Dump"<<std::endl;
5 while(1);
6 return 0;
7 }
ulimit命令改变了Shell进程的Resource Limit,test进程的PCB由Shell进程复制而来,所以也具 有和Shell进程相同的Resource Limit值,这样就可以产生Core Dump了。 使用core文件：
2. 调用系统函数向进程发信号
首先在后台执行死循环程序,然后用kill命令给它发SIGSEGV信号。
- 2741是test进程的进程id。之所以要再次回车才显示 Segmentation fault ,是因为在2741进程终止掉 之前已经回到了Shell提示符等待用户输入下一条命令,Shell不希望Segmentation fault信息和用 户的输入交错在一起,所以等用户输入命令之后才显示。
- 指定发送某种信号的kill命令可以有多种写法,上面的命令还可以写成 kill -SIGSEGV 2741 或 kill -11 2741 , 11是信号SIGSEGV的编号。以往遇 到的段错误都是由非法内存访问产生的,而这个程序本身没错,给它发SIGSEGV也能产生段错误。
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。
1 #include<iostream>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<signal.h>
4
5
6 int main(int argc,char* argv[])
7 {
8 if(argc==3)
9 {
10 kill(atoi(argv[1]),atoi(argv[2]));
11 }
12 return 0;
13 }
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)。
1 #include<iostream>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<signal.h>
4 #include<unistd.h>
5 void handler(int signo)
6 {
7 std::cout<<"catch a signal:"<<signo<<std::endl;
8 }
9 int main(int argc,char* argv[])
10 {
11 signal(9,handler);//捕捉信号
12 while(1)
13 {
14 sleep(1);
15 raise(9);
16 }
17 return 0;
18 }
其他信号可以捕捉例如2号:
1 #include<iostream>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<signal.h>
4 #include<unistd.h>
5 void handler(int signo)
6 {
7 std::cout<<"catch a signal:"<<signo<<std::endl;
8 }
9 int main(int argc,char* argv[])
10 {
11 signal(2,handler);//捕捉信号
12 while(1)
13 {
14 sleep(1);
15 raise(2);
16 }
17 return 0;
18 }
abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。
#include <stdlib.h>
void abort(void);
就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。
1 #include<iostream>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<signal.h>
4 #include<unistd.h>
5 void handler(int signo)
6 {
7 std::cout<<"catch a signal:"<<signo<<std::endl;
8 }
9 int main(int argc,char* argv[])
10 {
11 signal(6,handler);//捕捉信号
12 while(1)
13 {
14 sleep(1);
15 abort();
16 }
17 return 0;
18 }
3. 由软件条件产生信号
SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号,在“管道”中已经介绍过了。本节主要介绍alarm函数 和SIGALRM信号。
#include <unistd.h>
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。
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（自己验证一下？)
1 #include<iostream>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<signal.h>
4 #include<unistd.h>
5
6 int main(int argc,char* argv[])
7 {
8 int count=0;
9 alarm(1);
10 while(1)
11 {
12 std::cout<<"count:"<<count++<<std::endl;
13 }
14 return 0;
15 }
由图知道1S中count打印了2W次左右，这个程序的作用是1秒钟之内不停地数数,1秒钟到了就被SIGALRM信号终止。
思考:为啥打印出来只有2W。换种代码试下
1 #include<iostream>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<signal.h>
4 #include<unistd.h>
5 int count=0;
6 void handler(int signo)
7 {
8 std::cout<<"count:"<<count<<std::endl;
9 exit(1);
10 }
11 int main(int argc,char* argv[])
12 {
13 signal(14,handler);
14 alarm(1);
15 while(1)
16 {
17 count++;
18 }
19 return 0;
20 }
这里的结果变成了4亿，为什么？
因为上面改的程序不往IO上面去输出，往IO上输出会影响效率。
4. 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。
1.信号捕捉初识
1 #include<iostream>
2 #include<signal.h>
3 void handler(int signo)
4 {
5 std::cout<<"catch a signal:"<<signo<<std::endl;
6 }
7 int main()
8 {
9 signal(2,handler);//捕捉2号信号
10 while(1);
11 return 0;
12 }
2.模拟一下野指针异常
1 #include<iostream>
2 #include<signal.h>
3 #include<unistd.h>
4 void handler(int signo)
5 {
6 std::cout<<"catch a signal:"<<signo<<std::endl;
7 }
8 int main()
9 {
10 signal(2,handler);//捕捉2号信号
11 sleep(1);
12 int* p=NULL;
13 *p=100;
14 while(1);
15 return 0;
16 }
段错误是11号信号:
所以这里可以捕捉11号信号:
1 #include<iostream>
2 #include<signal.h>
3 #include<unistd.h>
4 void handler(int signo)
5 {
6 std::cout<<"catch a signal:"<<signo<<std::endl;
7 }
8 int main()
9 {
10 signal(11,handler);//捕捉2号信号
11 sleep(1);
12 int* p=NULL;
13 *p=100;
14 while(1);
15 sleep(1);
16 return 0;
17 }
由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。
-
总结思考一下：
-
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？OS是进程的管理者。
-
信号的处理是否是立即处理的？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？记录在哪里最合适呢？
-
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？
-
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？ 位图保存了1-31的信号。
产生了信号，所以信号都必须经过操作系统之手发送给进程。
总结
以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了Linux进程间信号前半部分的使用，而信号让我们知道C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。而后半部分中阻塞信号和捕捉信号等在下一篇文章提及，希望大家多多支持！另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。
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