【linux】进程信号——信号的产生

一、信号概念

首先要知道查看信号的指令：kill -l

通过观察发现没有0和32和33号信号，只有1 ~ 31， 34 ~ 64的信号。我们把
【1 ~ 31】叫做普通信号
【34 ~ 64】叫做实时信号

1.1 信号理解

在日常生活中有很多的信号，例如红路灯、裁判哨声、闹钟，这些都是给我们人类看的，当这些场景触发的时候，我们人类立马就知道要做什么，并且产生行动。

而我们为什么能识别这些信号呢？
我们对特定事件的反应，是被教育的结果，本质是我们记住了。

还有一种情况：当信号传来的时候我们可能正在做更重要的事情，所以不一定会立马处理信号，此时信号的产生和我们正在做的事情称为异步。
我们把信号传递过来到处理之前的这段时间称为时间窗口。在时间窗口我们必须得记住这个信号。

在我们处理信号的时候，我们可以有不同的处理方式，比方说我们早上听到闹钟响起，会直接起床，这里叫做默认动作，而听到闹钟后先做十个俯卧撑再起床，这叫做自定义动作，当然我们也可以不理会闹钟，这叫做忽略动作。

把概念迁移到进程中：

1️⃣ 进程能认识信号并产生动作是因为程序员编码完成的。
2️⃣ 当进程收到信号，进程可能在执行更重要的代码，所以信号不一定被立即处理。 所以进程要有对信号的保存能力。
3️⃣ 进程在处理信号的时候，一般有三种动作：默认、自定义、忽略，有个专业名词叫：信号被捕捉。

那么信号是怎么被捕捉的呢？

信号发给进程，而进程需要保存到PCB中，那么如何保存呢？
是否收到信号具有原子性，只有两太，而我们知道普通信号是1 ~ 31，所以我们可以在PCB中创建一个unsigned int的变量，有32个比特位，刚好用这些比特位来标记接收的信号。比特位的位置代表信号的编号。0表示没有，1表示有。

所以发送信号的本质：修改PCB中的信号位图。

而只有操作系统才能修改PCB，发信号本质就是给操作系统发信号，那么操作系统就必须要提供发送信号、处理信号的相关调用接口，我们以前的kill指令就是调用了底层接口。

二、产生信号

2.1 通过键盘产生信号

ctrl + c：是一个组合键，OS将它解释成3号信号（SIGQUIT）

我们知道每个信号有三种处理动作，那么怎么查看信号的默认动作是什么呢？
ctrl + \：是一个组合键，OS将它解释成2号信号（SIGINT）

指令：man 7 signal

可以看到二号信号的动作是：Term（终止），描述是：Interrupt from keyboard（从键盘中断）

2.2 捕捉信号自定义signal

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

RETURN VALUE
signal() returns the previous value of the signal handler, or SIG_ERR on error.  
In the event of an error, errno is set to indicate thecause.

参数说明：
signum：指定的信号。
handler：设置自定义动作，就是一个回调函数，函数内我们可以自定义我们想要的动作。

void handler(int sig)
{
    
    
    std::cout << "进程捕捉到信号，编号是：" << sig << std::endl;
}

int main()
{
    
    
    signal(2, handler);
    while(true)
    {
    
    
        std::cout << "in service: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这里要注意是signal函数的调用，不是handler的调用。这个函数仅仅是对2号信号的捕捉，并不代表被调用了。只有收到对应信号才会被调用。

可以看到发送2号信号并不能导致进程被终止了。

这里有个问题：如果我们对所有的信号都进行了信号捕捉，那我们是不是就写了一个不会被异常终止或者用户杀掉的进程呢？我们通过代码来验证一下！

void Catchsig(int sig)
{
    
    
    std::cout << "捕捉到了一个信号: " << sig << " pid: " << getpid() << std::endl;
}

int main()
{
    
    
    for(int i = 1; i <= 31; ++i)
        signal(i, Catchsig);

    while(1)  sleep(1);

    return 0;
}

操作系统的设计者也考虑到了上述的情况，所以就让 9 号信号无法被捕捉，9 号信号是管理员信号。

2.3 系统调用接口产生信号

2.3.1 向任意进程发送任意信号kill

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

RETURN VALUE
On success (at least one signal was sent), zero is returned.  
On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

参数说明：
pid：目标进程的pid。
sig：向目标进程发送指定信号。

所以我们可以自己写一个kill的进程。

// mykill.cc
void Usage(const std::string& proc)
{
    
    
    std::cout << "\nerror, format: " << proc << " pid sig" << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    if(argc != 3)
    {
    
    
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
    pid_t pid = atoi(argv[1]);
    int sig = atoi(argv[2]);
    kill(pid, sig);
    return 0;
}

再写一个永远运行的进程，让mykill进程来杀死它。

// myproc.cc
int main()
{
    
    
    while(true)
    {
    
    
        std::cout << "please kill me, my pid: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.3.2 给自己发送任意信号raise

#include <signal.h>

int raise(int sig);
RETURN VALUE
raise() returns 0 on success, and nonzero for failure.

sig就是发送的信号。

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    int cnt = 0;
    while(++cnt < 10)
    {
    
    
        std::cout << "cnt: " << cnt << std::endl;
        sleep(1);
        if(cnt == 5)
        {
    
    
            raise(9);
        }
    }
    return 0;
}

其实这里raise也可以写成：kill(getpid(), 9)

2.3.3 给自己发送指定信号abort

#include <stdlib.h>

void abort(void);

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    int cnt = 0;
    while(++cnt < 10)
    {
    
    
        std::cout << "cnt: " << cnt << std::endl;
        sleep(1);
        if(cnt == 5)
        {
    
    
            abort();
        }
    }
    return 0;
}

而发送的指定信号就是6号（SIGABRT）。
所以这里abort也可以自己用kill封装：kill(getpid(), 6)

2.3.4 理解

我们可以看到进程收到的大部分信号，默认处理动作都是终止进程。
信号的不同代表了不同的事件，但是它们的处理动作可以一样。

2.4 硬件异常产生信号

2.4.1 除0异常

信号的产生不一定需要用户手动发送。

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    while(true)
    {
    
    
        std::cout << "in service" << std::endl;
        sleep(1);
        int a = 1;
        a /= 0;
    }
    return 0;
}

这里为什么/0会导致进程终止呢？
因为进程会收到来自操作系统的8号信号（SIGFPE）。

我们可以用前面学的捕捉信号进行验证：

void handler(int sig)
{
    
    
    std::cout << "捕获到信号：" << sig << std::endl;
    sleep(1);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    signal(8, handler);
    while(true)
    {
    
    
        std::cout << "in service" << std::endl;
        sleep(1);
        int a = 1;
        a /= 0;
    }
    return 0;
}

这次我们把/0放到循环前

可以看到这里还是循环打印，好像一直在调用捕获函数。
这里就要先知道操作系统是如何得知要给进程发送八号信号的呢？（怎么知道的/0）

这里1/0会被放进CPU中的寄存器中，0相当于无穷小的数字，这样就会导致CPU的状态寄存器中的溢出标记由0变为1。这样就发生了CPU的运算异常，操作系统就会知道（操作系统是软硬件的管理者），然后向目标进程发送8号信号。而收到信号进程不一定退出，没有退出说明还会被继续调度。而寄存器的内容属于当前进程上下文信息，但是进程没有能力把状态标识符置为0，所以进程切换的时候就有无数次的状态寄存器被保存和恢复（上下文信息），每次恢复就会发送信号。导致捕获函数一直被调度。

2.4.2 野指针异常

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    

    while(true)
    {
    
    
        std::cout << "in service" << std::endl;
        sleep(1);
        int *ptr = nullptr;
        *ptr = 2;
    }
    return 0;
}

这里为什么空指针会导致进程终止呢？
因为进程会收到来自操作系统的11号信号（SIGSEGV）。

利用signal函数证明：

void handler(int sig)
{
    
    
    std::cout << "捕获到信号：" << sig << std::endl;
    sleep(1);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    signal(11, handler);
    while(true)
    {
    
    
        std::cout << "in service" << std::endl;
        sleep(1);
        int *ptr = nullptr;
        *ptr = 2;
    }
    return 0;
}

那么操作系统是如何知道发生了野指针情况呢？

我们知道指针本质上是个虚拟地址，而我们知道虚拟地址需要转化成物理地址，通过页表+MMU，MMU是集成在CPU中的硬件，通过访问通过页表的内容形成物理地址，再访问物理地址。而我们解引用空指针，MMU就会发生异常，然后被操作系统得知，然后发送信号给进程。

2.4.3 总结

大部分信号会导致进程退出，我们需要捕获这个异常，因为异常的不同代表不同的原因导致的，进而让我们能够追溯原因，让我们能够反向定位问题。比如说我们收到的信号是段错误，我们就会想到可能是野指针，收到浮点数溢出报错就会想到可能是除0错误。

2.5 软件条件产生信号

我们以前学过管道：【linux】进程间通信——管道通信
当两个进程正在利用管道进行读写，此时把读端关闭，操作系统就会终止掉写进程（发送SIGPIPE信号）。这种情况称为软件条件产生信号。

2.5.1 定时器软件条件alarm

#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(14), 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    alarm(1);
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
    
    
        std::cout << cnt++ << std::endl;
    }
    return 0;
}

这个进程的目的就是统计1s的时间内计算机能将数据叠加多少次。

而如果我们这么写：

int cnt = 0;

void handler(int sig)
{
    
    
    std::cout << "捕获到信号：" << sig << std::endl;
    std::cout << "cnt: " << cnt << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    signal(14, handler);
    alarm(1);
    while(true)
    {
    
    
        ++cnt;
    }
    return 0;
}

从这里就可以看到IO跟不IO的效率差距相当大。

而只打印了一次说明是收到了一个SIGALRM信号，闹钟响过一次就不再响了。
那如果我们想让它一直打印呢？

相当于在handler内部又要调用handler。这样就类似于sleep(1)

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

当然alarm也可能提前响起。比方说有可能手动发送SIGALRM，他就会返回剩余多少时间。当我们把seconds设置为0，表示取消闹钟。

2.5.2 alarm的深层理解

我们知道每个进程都可能通过alarm接口设置闹钟，所以可能会存在很多闹钟，那么操作系统一定要管理起来它们。
先用一个结构体描述每个闹钟，其中包含各种属性：闹钟还有多久结束（时间戳）、闹钟是一次性的还是周期性的、闹钟跟哪个进程相关、链接下一个闹钟的指针…… 然后我们可以用数据结构把这些数据连接起来。
接下来操作系统会周期性的检查这些闹钟，当前时间戳和结构体中的时间戳进行比较，如果超过了，说明超时了，操作系统就会发送SIGALRM给该进程。

为了方便检查是否超时，可以利用堆结构来管理。

2.6 核心转储Core Dump

核心转储：

当进程出现异常的时候，我们可以将该进程在对应时刻的内容数据保存到磁盘上，文件名通常是 core。

这里的Term和Core都表示进程退出，Trem表示正常结束，操作系统不会做额外的工作，如果是Core退出，我们暂时看不到明显的现象，如果想要看到，我们可以打开一个选项：ulimit -a（可以看到操作系统给用户所设置的资源上限）

可以看到第一行core file size的大小为0，因为云服务器默认关闭了core file这个选项。
如果我们想修改我们就可以用后边的参数进行修改（-c）。ulimit -c

打开了以后我们继续解引用空指针：

可以发现比以前多了一点内容。在查看当前目录：

多了一个core文件
我们把core dumped叫做核心转储，core文件后面的数字就是问题进程的pid。

那么为什么要有核心转储？
我们需要知道程序为什么崩溃，在哪崩溃？而核心转储就是为了支持我们进行调试。
那么如何调试呢？
第一步先编译的时候带上-g选项
第二步使用gdb调试

第三步直接输入core-file core.17633

从结果可以看出代码终止的原因是收到了11号信号，引发了段错误。在mykill.cc的17行。
我们把这种处理错误的方法叫做事后调试

总结一下：当程序出现异常，我们先确定是几号信号，然后man 7 signal查看是core还是Trem，如果是core，直接打开核心转储，然后gdb调试直接定位错误。