【Linux】进程信号及信号产生

一. 生活层面的信号

在学习进程信号前，我们不妨认识一下现实中有哪些信号。
日常生活中，眼神，语气，手势，等等，都可以是一个信号，都可以传递一定信息。而我们常见的红绿灯，红灯代表禁止通行，绿色代表允许通行，黄灯代表转换过渡。这些并不是我们一开始就知道，是因为大众的共识性。而各种手势，也是在幼儿园老师有所教导，我们才得以认知。
所以信号的创建是需要被人们所认知的。

我们可以通过生活中的一些事情引出信号的预备知识
进程信号的预备知识

网购是当今热门的购物选择，当我们网购的东西送到时，我们就会收到，“快递到了”这一信号，
首先，这一信号是大众的共识性认知，我们可以“识别信号”
其次，在收到这一信号时，我们可能立刻就去取快递了，但是也有可能我们正在做着一些不方便离开的事情，所以我们不会立刻去取快递。这就说明，信号的处理和信号的接收并不一定衔接。我们可以在“合适的时候处理信号”
并且，如果我们不立刻去取快递，我们还需要记录“快递到了”这一信号，因为我们需要之后处理。我们需要“记住有一个信号要处理”
最后，对于快递的处理，1. 默认动作（打开快递）；2. 自定义动作（如果是卖给女朋友的礼物，就送给女朋友）；3. 忽略
PS：快递的到来是不定时的，接收快递和我们已经在做的事是异步的

总结一下：

1. 信号创建首先是需要能被人们识别。
2. 接收信号后可以不立刻处理信号，等到合适的时候再处理
3. 因为可以不立刻处理信号，那么就需要存在记录信号的能力
4. 信号的产生对于进程来说是异步的

二. 进程信号

我们可以通过kill -l命令查看所有的进程信号

其中，1到31是非实时信号；34到64是实时信号。
本篇博客仅学习部分非实时信号。
实时信号，只需要保存有无产生，不需要立刻处理，具体处理可以之后进行。
操作系统可被分为实时系统和非实时系统。Linux和Windows都是非实时系统，而实时系统是高响应的，需要对任何命名立刻响应。比如车载系统中的刹车。

而非实时信号刚好有32个，操作系统使用位图来存储非实时信号。存储在进程的pcb结构体中，所以发送信号其实是将信号写入进程pcb的位图，修改位图的比特位，将0->1。
比特位的位置：信号的编号
比特位的内容：是否收到该信号

在Linux中，当我们不小心写了一个死循环的程序，我们可以通过ctrl+c终止这个程序

ctrl+c其实就是通过键盘输入给OS，OS捕捉，然后发送一个信号给当前进程，然后终止这个程序。
另外还有一点需要注意，ctrl+c只能终止前台进程，如果我们将程序变为后台运行，则无法通过ctrl+c终止，不过可以使用kill+信号终止进程

其实ctrl+c本质是让OS给指定进程发送2号信号SIGINT

接下来我们通过singal()函数验证一下

signal函数可以接收信号，并由我们指定接收该信号后，执行的动作。
比如ctrl+c是发送了2号信号，执行动作是终止程序
int signum：接收的信号
sighandler_t handler：sighandler是一个函数指针，函数的返回值是void，参数是int。

接下来，我们用一个程序证明ctrl+c本质是发送了2号信号

可以看到，这次我们使用ctrl+c没能终止程序，而且打印出了"get signal:2"，并且当我们发送2号信号，也是执行handler方法
首先，我们使用signal函数对2号信号进行捕捉，并且让handler作为2号信号的处理动作。
并且OS会将接收的信号传参给handler。所以我们使用ctrl+c没能终止程序，而是打印出了handler的内存
我们上面也讲了，对信号的处理分三种：默认动作，自定义动作，忽略
而终止程序就是2号信号的默认动作，而我们编写的handler就是自定义动作

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我们可以通过man 7 signal查看信号的默认动作

Term就代表终止进程
PS:ctrl+\是发送3号信号SIGQUIT，但是9号信号SIGKILL是管理员信号，即使使用signal捕捉执行自定义动作，kill -9还是执行默认动作即终止进程。

三. 硬件中断

我们按下crtl+c，那计算机是怎么知道我们输入了什么数据呢？
键盘其实是通过硬件中断的方式，通知操作系统，我们按下了按键。
注意：硬件中断只是让操作系统知道我们按下了按键，但是具体按了什么，操作系统此时还不知道

那么，什么是硬件中断呢？

内核中有中断控制器这样一个硬件，我们拿8259举例，当我们按下键盘，其实是发送了电脉冲，然后通过中断控制器发送给特定的CPU特定的针脚。当针脚处于高电频时，就相当于写入数据，CPU中的寄存器会写入高电频针脚的编号。这就是发送中断的过程
中断向量表类似于函数指针数组，CPU获得中断后，就会找中断向量表中对应的函数指针，调用对应的方式。
比如9号针脚高电频，那么寄存器中就会写入9，然后找中断向量表中9号函数指针，调用“从键盘获取对应数据”的方法。这就是硬件中断。

注意：键盘被按下，键盘哪些被按下是两个不同的步骤。

键盘被按下，对应的是硬件中断
键盘哪些被按下，对应的是中断向量表中的方法获取键盘输入的数据。

所以ctrl+c发生信号的本质是：

先按下按键，CPU获得硬件中断，然后调用方法，OS去读取键盘输入的ctrl+c数据，OS再将其解释为信号，并发送给前台进程，写入其pcb结构体的信号的位图。

四. 信号产生

信号的第一种产生方式是通过键盘，ctrl+c，ctrl+/。
第二种产生方式是kill指令

第三种产生方式是通过系统调用

第一个系统调用函数是kill()

int pid：指定给某个进程发送信号
int sig：发送几号信号

接下来，我们可以模拟实现kill命令

mykill.cc
模拟实现 kill 命令

#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<string>
#include<sys/types.h>


using namespace std;

//传参不正确，展示使用手册
void Usage(string proc)
{
    cout<<"Usage:"<<endl;
    cout<<"\t"<<proc<<" 信号编号 目标进程"<<endl;
}

//   ./mykill 9 1234
int main(int argc,char*argv[])
{
    //argc：命令行参数个数
    if(argc!=3)
    {
        //第一个参数是 比如： ./进程名
        Usage(argv[0]);
        exit(1);  
    }
    
    //信号
    int signo=atoi(argv[1]);
    //目标进程的pid
    int target_id=atoi(argv[2]);

    //发送信号
    int n=kill(target_id,signo);
    if(n!=0)
    {
        cerr<<errno<<" : "<<strerror(errno)<<endl;
        exit(2);
    }

    return 0;
}

myproc.cc
死循环程序，需要被杀死的程序

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

using namespace std;

int main()
{
    while(1)
    {
        cout<<"我是一个进程，我正在执行...,我的pid:"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
    }


    return 0;
}

运行结果如下：

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第二个系统调用函数是raise()

int sig：几号信号

可以看到，调用完raise(2)后，程序就结束了，并没有输出后续内容。

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第三个系统调用函数是abort()

调用abort()函数，会给当前进程发送6号信号SIGABRT
但是abort()是C语言的接口，其函数内部还有类似exit的操作，所以即使使用signal函数捕捉6号信号，进行自定义动作，abort函数还是会使进程终止

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第四种信号产生的方式是由软件条件产生信号

unsigned int seconds：seconds秒之后给该进程发送14号信号SIGALRM
但是我们可以通过发送14号信号，提前触发alarm。而当我们再调用alarm()，其返回值就是上一次alarm还剩余的时间。
但如果我们提前触发alarm，但是没有重新设置，则之后还会再收到一次alarm。alarm(0)代表取消闹钟
比如我们设置一个alarm(30)，但如果我在20秒时，给该进程发送14号信号，然后我再调用alarm(15)，那么就会再设置一个15秒的闹钟，但是这个闹钟的返回值是上一次闹钟剩余时间，也就是10秒。
PS：alarm是系统接口，OS中有维护alarm的结构体，会定期查看是否有闹钟超时

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第五种信号产生的方式是硬件异常

我们在编写C/C++代码时，有时候可能会出现除0和野指针的情况
他们的报错分别是这样的

我们以前在语言层面的理解，就是程序崩溃了。
但是在操作系统层面，其实是OS给进程发送信号，终止进程。

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除0引发的硬件异常

CPU中其实有很多寄存器，计算就发生在寄存器中。而有一个寄存器叫作状态寄存器，当本次计算溢出时，状态寄存器就会被置为1，反之为0。
而一旦状态寄存器为1，就会发生硬件异常，操作系统会得知这个异常。CPU还会存储当前调度的进程的pcb结构体的地址，操作系统在得知异常后，根据CPU记录的pcb地址，给该进程发送信号

除0本质是触发了硬件异常，操作系统给该进程发送了8号信号

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野指针引发的硬件异常

如果我们对空指针解引用，修改其内部的值。
空指针默认是虚拟地址的0地址，而通过页表映射到物理地址
修改指针内部的值，第一步是先进行虚拟地址到物理地址的转换
而页表其实是有MMU硬件——内存管理单元进行管理的
PS:MMU硬件是CPU的其中一个硬件
当出现以下情况之一，MMU就会报错，触发硬件异常

1. 虚拟地址没有映射，MMU硬件报错
2. 有映射，但是没有修改的权限，MMU硬件报错

而MMU硬件报错，触发硬件异常，OS根据CPU中记录的当前进程的pcb地址，并发送信号，终止该进程。

野指针本质也是触发了硬件异常，操作系统给该进程发送了11号信号

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五. Term&Core

我们之前讲了，Term是终止进程的意思，但是刚刚的除0，野指针的8号，13号信号时Core，但好像也是直接终止进程，那么这两个有什么差别吗？

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首先，OS可以将一个进程在异常的时候，可以将核心代码部分进行核心转储，将内存中进程的相关数据，全部转储到磁盘中。并在可执行程序的目录下，形成core.pid的核心转储文件。

我们可以通过ulimit -a指令查看当前进程的限制

而为什么我们之前没有看到核心转储文件呢，因为云服务器默认是关闭形成核心转储文件这一功能的，将可形成的核心转储文件大小设为0。

我们可以使用ulimit -c 大小 设置可形成的核心转储文件大小

而这时，我们就可以发现Term和Core二者的差别了。

我们发现，Action显示是Core的信号，在终止进程后，会显示出(core dumped)，并在当前目录下形成了core文件

所以，Term的终止就是终止，没有多余动作
Core则是在终止时，会先进行核心转储，再终止进程

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1. 核心转储的意义

我们打开core文件，发现其实一个二进制文件。不是给我们看的
那核心转储的意义是什么呢？

其实，信号和退出码的作用是一样的，都是在进程结束后，反馈给程序员的信息，当程序异常结束时，我们可以知道是正常结束，还是异常终止；异常终止又是因为什么？
而core文件其实就是给程序员后期调试用的文件。
我们需要使用Debug方式形成可执行程序，并且使用gdb调试，才可以体会core文件的意义。(gcc / g++默认是形成release版本，最后加-g选项形成Debug版本)

通过core文件，我们在gdb的调试中，可以直接定位到产生异常的位置。
这种调试称为事后调试

2. 云服务器为什么关闭核心转储

一个大的程序，出现问题时，都无法立刻解决，程序可能会崩溃，但可能会有检测程序对其重启，而如果核心转储处于打开状态，一次崩溃就会形成一个core文件；如果这个程序在半夜崩溃，就会一直重启，崩溃，反复进行，每一次重启的进程又不同，正如上述，同一个程序，只是变成进程后的pid不同，Core终止就会重新形成一个core文件。
这样就会造成很多浪费，所以云服务器一般关闭核心转储功能。
ulimit -c 0就是关闭核心转储

3. core dump标志

在进程等待时，父进程获取子进程的退出信息使用的status位图结构

在正常终止时，位图的8~15位是退出码
被信号所杀时，0~6是终止信号，而第8位是core dump标志。
如果该进程核心转储功能是打开的，那么该进程的core dump为1，反之为0。

六. 总结

1. 所有的信号产生，最终都要OS来执行，因为OS是软硬件的管理者，也是进程的管理者
2. 信号的处理可以不立刻处理，进程可以在合适的时候再对信号进行处理
3. 如果不立即处理，那么信号需要被记录到pcb结构体中
4. 一个进程在没有收到信号的时候，是知道如何处理某个信号的，因为在编码时已经提供给每个进程了
5. 任何一种信号产生，不管是通过键盘，还是指令，系统调用…本质都是操作系统往进程的pcb结构体中写入信号

结束语

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