【linux】信号——信号产生

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首先说明一点信号不是信号量。不能把这两个东西放在一起。

那信号讲什么呢？

1.预备知识

那信号是怎么回事，这里只能这样说，信号是针对进行发送某种信号到来的一种机制，让信号能被进程处理。，让我们在后面的知识中，更能理解这句话的含义。

先见识见识信号。

前面数字是信号的编号，后面大写的是宏。
就比如杀死一个进程

kill -9  进程pid

这里可以使用编号，也可以使用SIGKILL

再可以数一数信号有多少个。
其实并没有64个，0，32，33信号是没有的。
【1，31】普通信号
【34，64】实时信号 （我们不学这个）

先说信号的概念帮我们简单了解一下信号，但再说信号一些概念之前，我们先从生活角度中的信号来帮我们理解。

生活中的信号：
1.红绿灯
2.闹钟
3.信息通知
4.劳资蜀道三
5.女朋友把你拉黑
6.烽火台狼烟
等等这些都是我们生活中的信号。

我们以红绿灯为例。人是能够识别红绿灯的。
这里识别有两层意思。

第一个问题可能会觉得很奇怪，你为什么能够识别红绿灯？

第二个问题，当信号来的时候，你不一定会立即处理这个信号

信号的产生是异步的。

举个栗子，你正在宿舍打着游戏，这时外卖小哥给你打电话让你下楼取餐，但是你忙着打着游戏并没有立刻下楼去取，而是让他把外卖放在楼下。当你打完游戏，记起还有外卖没拿，所以去楼下拿外卖。当然还有另一种情况，你打游戏上头了。然后忘记有外卖在楼下这回事。

当绿灯到达的时候，你有三种处理动作

如何把上面的这些概念迁移到进程中呢？

这里要有一个共识：信号是给进程发的

1. 进程是如何识别信号的？（认识+动作）
   进程本身就是程序员编写的属性和逻辑的集合。所以这里先粗略的说是由程序员编码完成的。（后面学了信号更多知识就可以详细说明了）。

2. 当进程收到信号的时候，进程可能正在执行更重要的代码，所以信号不一定会被立即处理

3. 进程本身必须要有对于信号的保存能力

4. 进程在处理信号的时候，一般有三种动作（默认，自定义，忽略）【信号被捕捉】

在我们现在还没有学过信号，上面1，2，4我们都不能具体解释，不过3我们可以根据以往学过的知识来分析分析。

如果一个信号是发给进程的，而进程要保存，那么应该保存在哪里？
task_struct（PCB）结构体中。

如何保存呢？ 更准确来说如何保存是否收到了指定信号【1，31】。
是否是一种两态，我们是不是可以在task_struct结构体里，当然task_struct结构体中包含其他一大堆的属性，可以存在一个unsigned int signal32位比特位。

所以在进程中是不是只要存在对应的位图结构，然后当我们收到信号时，是不是只要将对应信号的位置由0->1，就代表我们已经完成了信号的发送，并且让进程暂时把这个信号保存起来了。

那如何理解信号的发送呢？
发送信号的本质：修改PCB的信号位图！
PCB是内核维护的数据结构对象----->PCB的管理者是OS，谁有权力修改PCB中的内容呢？------>OS!!

所以无论未来我们学习多少种发送信号的方式，本质都是通过OS向目标进程发送的信号!!
未来想让用户也能发送信号------->OS必须要提供发送信号，处理信号的相关系统调用！

我们使用kill命令，底层一定调用了对应的系统调用！

2.信号产生

2.1通过键盘发送信号

int main()
{
    
    
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
        printf("我是一个进程，我正在运行%d\n",cnt++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

ctrl+c热键，终止前台进程。
本质ctrl+c是一个组合键---->OS识别---->OS将ctrl+c解释成为2号信号，2）SIGINT----->处理（三种动作）。但我们对2号信号没做任何改变，所以是默认处理。

man 7 signal //查看信号对应的手册

Action(行为)：Term （Terminal终端）结束进程
Comment(解释)：从键盘中断

所以2号信息的默认动作，结束进程。

接下来验证一下是不是发送了2号信号。

先介绍一个函数signal，对指定的信号设置一个自定义动作。

signum：信号编号（捕捉那个信号）
handler：函数指针（捕捉这个信号后，你想怎么做，这是一个回调函数）

接下来验证

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstdio>
#include<signal.h>

void handler(int signo)
{
    
    
    cout<<"捕捉到信号:"<<signo<<endl;
}

int main()
{
    
    
    signal(2,handler);
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
        printf("我是一个进程，我正在运行%d\n",cnt++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我不是对2号信号进行捕捉吗，并且代码还做了修改，为什么运行结果没什么变化。

注意，这里是signal函数的调用，并不是handler的调用，并且仅仅是设置了对信号的捕捉方法，并不代表方法被调用了。所以一般这个方法不会执行，除非收到对应的信号。

这两种方法都可以发送信号。然后signal函数对2号信息进行捕捉。

现在发2号信号，虽然能被捕捉，但是进程怎么退不出来了。
这是因为我们把2号信号默认动作，改成了自定义动作。

如果想退出怎么办？

kill -9 编号  //杀死进程

或者在自定义动作种加一个exit。

void handler(int signo)
{
    
    
    cout<<"进程捕捉到了一个信号，信号编号是:"<<signo<<endl;
    exit(0);
}

其实还有一个组合建ctrl+\，发送的是3号信号。也能终止进程。




这里留了一个问题，Core和Trem都是终止进程。为什么OS要设置两种不同的行为有什么用？

2.2系统调用接口向进程发送信号

kill可以给任意进程发送任意信号。

pid：目标进程pid
sig：发送几号信号

成功返回0，识别返回-1。
我们给进程发信号底层用的就是这个。

前面说过，信号是由OS向进程发送的。OS有这个能力，但不代表有权限使用这个能力。
信号的发送是由用户发起而OS执行的。

接下来我们写的代码想呈现这样的效果，一个进程正在运行，另一个进程在命令行给这个进程发送任意信号。

//mysignal.cc

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstdio>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
#include<string>

using namespace std;


void Usage(const string& proc)
{
    
    
    cout<<"\nUsage "<<proc<<" pid signo\n"<<endl;
}

// ./mysignal pid signo------>命令行参数
int main(int argc,char* argv[])
{
    
    
    if(argc != 3)
    {
    
    
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    pid_t id=stoi(argv[1]);
    int signo=stoi(argv[2]);
    int n=kill(id,signo);
    if(n != 0)
    {
    
    
        perror("kill");
    }

    return 0;
}

//mytest.cc

#include<iostream>
#include<unistd.h>

int main()
{
    
    
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
        printf("我是一个进程,pid:%d,我正在运行%d\n",getpid(),cnt++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这个不就是和我们在命令行执行kill命令一样的原理吗。

kill()，可以向任意进程发送任意信号

raise，给自己发送指定信号。----->就相当于 kill(getpid()，任意信号)

int main()
{
    
    
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
        printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
        if(cnt == 10)
            raise(9);
        sleep(1);
    }
        return 0;
}

abort，给自己发送指定的信号（6号信号）。------>相当于kill(getpid(),SIGABRT)

int main()
{
    
    
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
        printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
        if(cnt == 10)
           abort();
        sleep(1);
    }
        return 0;
}

关于信号处理的行为的理解：有很多的情况，进程收到大部分的信号，默认处理动作都是终止进程。

既然大部分信号默认都是终止进程，那有那么多类的信号有什么用？

信号的意义：信号的不同，代表不同的事情，但是对事情发生之后的处理可以一样。
也就是说进程意外终止了，我们可以根据信号不同来确定是什么原因导致的。

2.3硬件异常产生信号

信号产生，不一定非得是用户显示发送的。

看下面一段代码

int main()
{
    
    
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
         printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
         int a=10;
         a/=0;       
    }
    return 0;
}

为什么除0会终止进程？
因为当前进程会收到来自OS发送的信号。SIGPFE。

如何证明呢？

void handler(int signo)
{
    
    
    cout<<"进程捕捉到了一个信号，信号编号是:"<<signo<<endl;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
    
    
    signal(SIGFPE,handler);
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
         printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
         int a=10;
         a/=0;       
    }
     return 0;
}

我确实捕捉到了8号信号，但为什么OS一直发送信号呢？

难道是我这里一直在死循环的原因？

修改一下代码

int main()
{
    
    
    signal(SIGFPE,handler);
    int cnt=0;
    int a=10;
    a/=0;   
    while(true)
    {
    
    
        printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
    }
    return 0;
}

发现还是一直在发送8号信号。
这到底是为什么？

先来解答，OS如何得知应该给当前进程发送8号信号呢？或OS怎么知道我除0了呢？

CPU运算异常了，OS会不会知道？
OS肯定会知道CPU运算出现了问题，因为OS是软硬件资源的管理者。

OS查看到状态寄存器溢出位由0->1，OS就识别到CPU内部出错了。
谁导致CPU出错了？
CPU当前正在调度谁，就是那个进程出现了问题，OS向目标进程发送8号信息，目标进程收到8号信号，后序处理就会终止自己了。

那为什么一直发信息呢？
收到信号，不一定会引起进程退出，没有退出，进程可能还会被CPU调度。
CPU内部的寄存器只有一份，但是寄存器种中的内容，属于当前进程的上下文，CPU内部状态寄存器溢出标记位由0->1，你是没有能力或者动作去修改这个问题的。
当进程被切换的时候，就有无数次状态寄存器被保存和恢复的过程，所以每一次恢复的时候，就让OS识别到了CPU内部的状态寄存器中标记位是1，每一次都会发8号信号。

再看一种由硬件异常产生的信号。

int main()
{
    
    
    signal(SIGFPE,handler);
    int cnt=0; 
    while(true)
    {
    
    
        printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
        int* ptr=NULL;
        *ptr=10;
    }
    return 0;
}

为什么野指针就奔溃了？
因为OS会给当前进程发送指定的11号信号。

证明一下。

void handler(int signo)
{
    
    
    cout<<"进程捕捉到了一个信号，信号编号是:"<<signo<<endl;
}


int main()
{
    
    
    signal(11,handler);
    int cnt=0; 
    while(true)
    {
    
    
        printf("cnt:%d,pid:%d\n",cnt++,getpid());
        int* ptr=NULL;
        *ptr=10;
    }
    return 0;
}

OS怎么知道我野指针了呢？

根据我们以前学的知识，虚拟地址—>物理地址的转换，要经过页表。今天我要告诉你除了页表还有一种硬件MMU。MMU是内存管理单元。

MMU其实是通过读取页表中的内容，在内部形成对应的物理地址，然后再去访问我们对应的物理地址。

当我们ptr解引用，访问的是0号地址。经过页表映射，发现在映射的时候，当前进程是不允许去访问对应的0号地址的。不允许访问当然可以拦截不让你访问。但更重要的是，你为什么会访问，所以OS觉得你犯错了就应该付出相应的代价，所以MMU这个硬件因为对应的越界访问（野指针访问）发送异常。OS知道当前硬件发生异常，所以OS将异常转换成11号信号发送给目标进程。

2.4软件条件

在管道我们说过匿名管道的一个场景，读端关闭，写端一直写没有任何意义，OS会给当前写进程发送SIGPIPE信号，然后进程终止了。

所谓的进程，OS，管道，尤其是管道和这一整套OS发信号的原因和OS发信号的过程，和硬件都没有关系。而是仅仅因为读端关闭了这一软件条件所触发的OS发送信号给目标进程，这种场景我们就称之为软件条件会触发信号。

下面我们要说的是一种定时器软件条件。给当前进程设定闹钟，alarm()。

设置一个时钟时刻发送信号。

seconds：多少秒之后发送信号
返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

发送的是SIGALRM(14)信号。

int main()
{
    
    
	//这个闹钟是给现在设的还是给未来设的？
	//是不是我调用了alarm，我的进程会立马收到对应的闹钟呢？
	//答案：并不是。这是给未来设置的闹钟。是1秒之后向我这个进程发信号。
    alarm(1);
    int cnt=0;
    while(true)
    {
    
    
        printf("cnt: %d\n",cnt++);
    }
    return 0;
}

根据运行结果，请问我们这段代码有什么用呢？

其实这是统计1S左右，我们计算机能够将数据累计多次次。

修改一下代码再看一下效果。

int cnt=0;

void catchSig(int signo)
{
    
    
    cout<<"进程捕捉到了一个信号，信号编号是:"<<signo<<" cnt :"<<cnt<<endl;
}

int main()
{
    
    
    signal(SIGALRM,catchSig);
    alarm(1);
    while(true)
    {
    
    
        cnt++;
    }
    return 0;
}

次数多了很多次，这是因为printf会访问外设，而访问外设比较慢。
还有就是这个闹钟是一次性闹钟，响了之后就不响了。

如果想响多次，要重新在设定闹钟。

void catchSig(int signo)
{
    
    
    cout<<"进程捕捉到了一个信号，信号编号是:"<<signo<<" cnt :"<<cnt<<endl;
    alarm(1);
}

alarm(0)，取消闹钟，并且返回闹钟剩下多少时间。

int main(int argc,char* argv[])
{
    
    
    signal(SIGALRM,catchSig);
    alarm(5);
    while(true)
    {
    
    
        cnt++;
        if(cnt == 3)
        {
    
    
        	int n=alarm(0);
        	cout<<n<<endl;
        }
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

为什么设闹钟就是软件条件了呢？
"闹钟"其实就是用软件条件实现的。

2.5总结

1.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

2. 信号的处理是否是立即处理的？

在合适的时候(什么合适的时候，下面说)。

3.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？
4.一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？
5.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？

上面的问题，我们都可以从接下来信号的学习中得到答案。

信号产生这里还有最后一个问题。

man 7 signal  //信号手册

Stop暂停进程，Cont继续进程，Ign忽略进程(这个信号说完最后面解释)这些都没有问题。
Term，Core都是终止进程，有什么区别？
其实这有关于，进程退出时，核心转储问题。

看下面一段代码

int main()
{
    
    
    //核心转储
    while(true)
    {
    
    
        int a[10];
        a[100]=10;
    }
    return 0;
}

int main()
{
    
    
    //核心转储
    while(true)
    {
    
    
        int a[10];
        a[1000]=10;
    }
    return 0;
}

数组明明都越界了啊，怎么进程没有奔溃报错？
其实在C的时候就说过，数组越界不一定会报错，因为对数组的检查是随机的。这是我们在语言层面的理解。

int main()
{
    
    
    //核心转储
    while(true)
    {
    
    
        int a[10];
        a[10000]=10;
    }
    return 0;
}

那这次怎么就检测出来了。按照语言层面解释可能是因为这次越界被检测到了。

接下来我们从底层理解：

编译器上编译你的代码时，在栈上给你开辟多大空间和编译器是强相关的，你要申请10个int大小元素的数组，它确实给你的就是10个元素，指的是数组的元素，但是并不代表给你的代码块或者函数分配栈帧结构是10个元素的大小，可能给你的会很大，所以呢，即便你越界了，但是你还是在有效栈区里，所以没有报错，除非你访问了一个完全不是你的空间。比如你现在访问的时候，访问的是系统的地址空间中或者访问到一个不让你访问的区域，那么此时OS系统就能识别出来。所以OS在识别越界的问题上有可能也死别不出来，从而出现把数据改变了，但用户不知情的情况。

这个信号是11号信号，段错误，它的终止方式是Core。
像Trem这种结束，是正常结束，OS不会做额外操作的。而以Core这种结束，OS除了终止进程，它还要做其他工作。

但是以Core为终止，我也没见OS做什么额外工作啊， 除了给我打印出一个错误描述，像Trem终止进程不也是给我打印出一个错误描述吗。

在云服务器上，默认如果进程是Core退出的，我们暂时看不到明显现象，如果想看到需要打开一个选项。

ulimit -a  //可以看到系统给我们当前资源设置的上限

core file size 大小为0，这是云服务器默认关闭了core file选项。
想要打开，ulimit就带上你想要设置谁，-c（选项），大小为多少。

ulimit -c 1024  //打开云服务器core file选项，默认可以向OS中形成最大为1024个block的数据块

然后运行同样的代码

相比较我们之前运行的时候，除了段错误后面还跟了一个（core dumped）

发现我们当前目录下多了一个以core命名的文件。

所谓的核心转储：当进程出现异常的时候，我们将进程在对应的时刻，在内存中的有效数据（二进制数据）转储到磁盘中。

该文件我们用vim打开是一堆乱码。我们是无法识别的。
那形成核心转储有什么意义呢？或者说为什么要有核心转储？

一般进程在运行的时候出现崩溃，其实我们更想知道的是，为什么会崩溃，在哪里崩溃。所以OS为了便于我们后期做调试，会将进程在运行期间出现崩溃的代码的相关上下文数据全部dump到磁盘中，用来进行支持调试。

如何支持呢？
linux下默认编译都是release不能调试，debug才能调试，因此我们编译时带上-g选项。

当前自动帮我们评判，进程收到11号信号引起的段错误，报错是在mysignal.cc的第37行，代码是a[10000]=10引起的错误。直接就帮我们找到了错误。
这种直接快速定位到出问题的方式，我们称之为事后调试。

像这种以2号信号，Trem终止进程，并不会在当前目录下形成core文件。

Trem，Core都是进程终止，它们的区别是，以Core退出的可以被核心转储的以便于后序快递定位问题，以Trem退出就是正常终止进程。

以后进程出现异常退出，你可以查看是什么信号的什么行为导致的，如果是Core，把Core打开，再执行一下，gdb快速定位问题。

信号产生到目前为止差不多讲完了，但这里可能有人会有这样的疑问。如果我们把所有信号都捕捉，换成自定义动作，不让进程退出，那进程是不是无法被杀死了。

void catchSig(int signo)
{
    
    
    cout<<"进程捕捉到了一个信号，信号编号是:"<<signo<<endl;
}

int main()
{
    
    
    for(int signo=1;signo<=31;++signo)
    {
    
    
        signal(signo,catchSig);
    }
    while(true) sleep(1);
    
    return 0;
}

难道真的无法杀死了？

kill -9还是可以杀死进程，无论你怎么修改，无法对9号信号设定捕捉，即使你做了，OS也不会给你设置。