初识Linux · 信号产生

目录

前言：

预备知识

信号产生

---

前言：

前文已经将进程间通信介绍完了，介绍了相关的的通信方式。在本文介绍的是信号部分，那么一定有人会有问题是：信号和信号量之间的关系是什么呢？答案是，它们之间的区别就是老婆和老婆饼之间一样，没有关系。

对于信号部分，我们分为四个阶段来介绍，一个是信号的预备知识，一个是信号产生，一个是信号保存，一个是信号处理。

在本文中，介绍信号的预备知识和信号产生。那么话不多说，直接进入主题吧！

---

预备知识

对于信号来说，我们平常生活中时时刻刻都在接收，比如红灯停绿灯行，就是一种信号，比如闹钟响了，也是一种信号，比如外卖员打电话来了，我们知道要拿外卖，这是我们知道信号怎么处理。

从上面我们可以得出来的结论是：

信号是随时产生的，要处理信号的前提条件是能认识这个信号。

那么，如果外卖员打电话的时候，我们正在打游戏，那么外卖员发出的信号我们应该如何处理呢？我们可以选择终止我们正在打游戏这个行为，我们也可以忽略外卖员的信号，我们也可以有其他反应。

以上是信号在生活中的例子，那么有意思了，如果我们将我们换成进程呢？

似乎就关联起来了？

我们其实在进程部分也是使用过信号的，比如9号信号是直接杀死进程，我们可以使用kill -l查看所有的信号：

那么，我们可以注意到一个点是信号是从1开始的，而不是从0开始的，并且在1-31是一个梯队，34到64是一个梯队。其中，34往后的信号都是实时信号，我们暂时先不用管。我们在信号这个主题要介绍的信号是前面31个信号，叫做普通信号。

所以，现在我们对信号有了一个基本的概念认识。

信号：Linux提供的一种向指定进程发送处理某种特定事件的方式。

所以信号实际上是一种处理方式，那么信号是同步的还是异步的呢？

信号产生是异步的，我们通过一个例子对同步和异步理解：

老师上课的时候，让小王出去拿东西，但是老师不会因为小王出去拿东西停止自己讲课这个行为，并且老师给小王发送的信号是出去拿东西，所以是异步的。

我们通过man的7号手册查看signal：

就可以看到如上这么多信号。

对于信号来说，预备知识部分我们通过外卖员的例子，可以知道信号有3种处理方式，一种是默认行为，一种是忽略，一种是自定义行为，其中的默认行为实际上就是终止当前进程。

对于第三列有Core Term的信号，都是代表如果接受到的该信号，默认行为都是终止。

那么我们先不管，我们先试试：

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

int main()
{
    while(true)
    {
        std::cout << "Hello signal" << " pid is :" << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

其实可以发现，不管是发送哪个信号都会终止该进程。

对于默认行为我们有了一定了解，忽略我们暂时先不考虑，我们先介绍自定义行为，使用到的函数是signal，这个是在2号手册，也就是系统调用，其实，对应的参数是，信号以及函数指针，该函数的意思是如果该进程接受到了信号signum，那么就执行函数指针handler对应函数。

直接试试：

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

void Handler(int sig)
{
    std::cout << "get a sig: " << sig << std::endl;
}

int main()
{
    while (true)
    {
        signal(2,Handler);
        std::cout << "Hello signal" << " pid is :" << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们每次往这个进程发送2号信号，就会调用函数Handler，就不会终止该进程了，并且，在进程章节我们介绍了信号实际上是个宏，所以我们可以把2写成宏也是可以的。

那么我们现在来看一个有趣的现象：

我们直接ctrl + c，会奇妙的发现进程并没有终止，而是调用的函数，这说明什么，这说明ctrl + c就是2号信号！！！

所以，现在我们就知道了信号不仅可以通过kill指令发出，也可以通过键盘发出。

这里的3号同理，可以使用CTRL + \验证出来，也是一种终止进程的方式。 

现在我们不妨浅显的理解信号的理解和保存：

对于Linux中的任意文件，都是先描述再组织，每个进程也就是task_struct，里面有一个成员变量是uint32_t signals，可是一个成员变量如何表示所有信号呢？

不要忘了，普通信号有31个，一个32位的整型，一共有32位比特位，因为没有0号信号，所以从第1位比特到到第31位比特位都是用来表示信号的，如果接受到了信号，那么对应的比特位就变成1，这也是位图的应用。

那么提问，进程是内核数据结构对象，谁有资格修改内核数据结构对象中的值呢？

当然只有OS了。

---

信号产生

以上是信号的预备知识，现在，我们来深究信号产生的原理，

信号可以怎么样产生呢？

第一种方式是命令行参数，是用kill -signum pid即可，第二种方式是键盘输出输入，第三种方式是系统调用。我们目前使用到的函数的是signal，我们还可以使用的函数有kill，还可以使用abort。

我们先来试试kill指令，

参数是对应的pid，另一个是signum，使用起来基本上没有什么难度，但是如果我们在代码里面操作，显得就比较笨拙了，所以我们可以使用命令行参数，所以使用int argc, char* argv[]：

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        return 1;
    }
    pid_t pid = std::stoi(argv[2]);
    int signum = std::stoi(argv[1]);
    kill(pid,signum);
    return 0;
}

这是kill的用法，需要多个文件协作。

对于函数abort，底层调用的是函数raise函数。

对于该函数的描述是，abort函数发送的是SIGABRT信号，也就是碰到异常事件直接终止该进程。

void handler(int sig)
{
    std::cout << "get a sig: " << sig << std::endl;
}

int main()
{
    int cnt = 0;
    // signal(SIGABRT, handler);
    for(int i = 1; i <= 31; i++)
        signal(i, handler);

    while (true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "hello bit, pid: " << getpid() << std::endl;

        abort();
    }
}

通过函数我们可以发生发送的信号是6。

可是，如果我们将所有的信号都自定义了，是不是这个进程就变成流氓进程了？

void Handler(int sig)
{
    std::cout << "get a sig: " << sig << std::endl;
}

int main()
{
    for(int i = 1; i <= 31; i++)
    signal(i,Handler);
    while (true)
    {
        std::cout << "Hello signal" << " pid is :" << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

试试9号：

9号信号就是不能被自定义的，所以得出结论，不是所有的信号都可以自定义。6号信号 SIGABRT 可以被自定义捕捉处理，但是捕捉后仍然会立即退出进程，比较特殊

现在我们从新的角度来看待信号，信号发送的软件条件是什么呢？如果没有输入输出的话，信号还能够输入输出吗？当然是不可以的，所以我们现在要做一个事儿就是，验证IO的速度，验证IO之前，我们要介绍一个信号是14号信号，14号信号是闹钟信号，和我们平常理解的闹钟是一个样子的：

当时间一到，alarm函数就发送SIGALRM信号，该信号是第14信号，和我们平时理解的闹钟一样的，不过，碰到了该函数，就进程就结束了：

int main()
{
    std::cout << "begin " << std::endl;
    alarm(1);
    sleep(2);
    std::cout << "end " << std::endl;

    return 0;
}

验证IO之前，我们先使用alarm验证多次使用alarm会怎么样：

int main()
{
    signal(SIGALRM, handler);

    alarm(6); // 设定1S后的闹钟 -- 1S --- SIGALRM
    sleep(4);
    int n = alarm(0); // alarm(0): 取消闹钟， 上一个闹钟的剩余时间
    std::cout << "n : " << n << std::endl;

    return 0;
}

对于这种情况，alarm(0)代表的情况是取消闹钟，返回的值是上一个闹钟的剩余时间。

那么我们试试1秒的闹钟里面，定义一个变量，能++多少次：

int main()
{
    alarm(1); // 设定1S后的闹钟 -- 1S --- SIGALRM
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        std::cout << "cnt: " << cnt << std::endl;
        cnt++;
    }
    return 0;
}

一秒钟内，大部分区间都是在60000到80000左右，看起来是不是非常快了？

当我们将cnt变量定义为全局变量之后：

int cnt = 0;

void handler(int sig)
{
    std::cout << "cnt: " << cnt << " get a sig: " << sig << std::endl;
}

int main()
{
    signal(SIGALRM, handler);
    alarm(1); // 设定1S后的闹钟 -- 1S --- SIGALRM
    while (true)
    {
        cnt++;
    }
    return 0;
}

现象是：

这差别可以说是天差地别了。结论就是，加入了IO，比如cout等，效率就非常低了，并且闹钟会响一次，进程终止。

那么提问，OS里面的闹钟是非常非常多的，那么OS怎么管理闹钟呢？同样，是先描述再组织，但是闹钟不像共享内存那样，拥有所谓的id或者是key什么的，它要做的不过的到时间了就给进程发信号而已，虽然会先描述再组织，但是相对没有那么麻烦。

以上是软件引发的信号。

那么，对于异常部分？

我们从两个问题探讨，一个是/0问题，一个是越界访问的问题：

int main()
{
    int a = 10;
    a /= 0;

    // int* p = nullptr;
    // *p = 10;
    return 0;
}

对于/0问题，bash进程给的报错是：

Floating point exception，那么我们在signal那个表里面查看有没有对应的描述：

就是这个，SIGFPE，对应的就是OS发给该进程的信号。

那么为什么程序会崩溃呢？本质就是因为OS给该进程发送了对应的信号，那么我们看看越界访问：

同理，在signal表里面查看：

对应的信号是SIGSEGV信号，对应的描述是Invalid memort reference。也就是非法的内存访问。

我们知道进程结束的原因是因为OS发送了信号，那么OS发送了信号之后，进程是直接终止的，那么可以不退出进程吗？

就像这样：

void Handler(int signum)
{
    std::cout << "get a sig: " << signum << std::endl;
}
int main()
{
    signal(SIGSEGV,Handler);
    int* p = nullptr;
    *p = 10;
    return 0;
}

结果是：

一直打印信号，也就是说没有退出，那么为什么我们自定义了这个信号就会造成这种情况呢？

/0和越界的原理是一样的。

对于/0来说，cpu是执行计算的吧？执行的计算可以分为是执行算数运算还是逻辑运算，对于算数运算来说，在cpu里面存在一个状态寄存器，叫做eflag，在这个寄存器里面存在一个位置叫做状态标记位，如果发生了溢出，比如/0错误，该标志位变成1，此时OS检测到了，就给进程发送信号SIGFPE即可。

可是，为什么会一直打印呢？在进程部分，我们介绍了cpu有一套寄存器，而进程的运行时间不是一直存在的，涉及到了调度问题，而对于进程来说，因为时间问题，寄存器会存储多个进程的内容，也就是，/0的内容给了寄存器之后，轮询到这个进程的时候还是这个数据，所以会导致一直打印的情况，因为本来，OS发送的信号是要直接终止的，结果我们自己自定义为了打印，所以打印进程的资源一直释放不出去，从而导致了一直打印的情况。

对于越界的问题同理，涉及到的寄存器是cr寄存器，cr2 cr3，还有MMU寄存器，对于MMU寄存器来说是将虚拟地址转换为物理地址的，而在访问失败后，CR2这个寄存器放的就是错误的数据，因为CR2是页故障线性地址寄存器，和/0一样，存放的错误数据一直没有释放，所以一直轮询，从而导致了一直打印的情况。

以上是异常的现象解释。

打一个小小的回旋镖吧，在进程部分：

core dump是什么呢？

留个疑问吧，现在能知道的就是通过core dump可以得到一个文件是core，我们通过这个文件，使用gdb可以直接定位到出错的地方。

和云服务器有关，使用到的命令是ulimit -c 10240等，后面咱们再会咯~

---

感谢阅读！