[ Linux ] Linux信号概述 信号的产生

0.问题引入：

在曾经我们学习Linux的经历中，我们也是多次使用信号的。比如：当我们在使用xshell时，在命令行中按Ctrl+c，这个键盘输入产生了一个硬件中断，被操作系统获取，解释成信号，发送给目标前台进程。前台进程因为收到了信号，进而引起进程退出。

注意：

1. 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。
2. 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这样控制键产生的信号。
3. 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。

0.1 将进程设置为后台进程

./进程名 &

0.2 查看后台进程并将后台进程提至前台

我们发现进程一旦被设置成为后台进程是无法杀掉的，此时在一直死循环的打印hello myproc.那么我们怎么杀掉这个进程呢？ 有一种方法是将后台进程设置成为前台进程，再使用ctrl +c 关闭。这种方法也比较好理解。因此哦我们在此处将使用这种方法关闭后台进程。

首先我们要查看此时都有什么任务在执行，我们可以输入 jobs 来查看当前任务列表

其次我们将这个进程提至提至前台，使用 fg 1 ，其中1是任务编号，也就是 [ ]+ 中的数字，注意fg 和 1之间需要带空格。

0.3 将前台进程设置为后台进程

我们刚刚知道了将后台进程提至前台使用 fg 任务号，f是front的意思。因此我们如果想把前台进程设置为后台进程，可以使用bg 任务号，我们可以来测试一下

1.信号的概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

2.查看信号列表

使用kill -l 命令可以查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，例如定义 #define SIGINT 2
• 编号34以上的是实时信号。在此我们只讨论编号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动作是什么，在signal(7)中都有详细说明：man 7 signal

3.信号处理的常见方式

由于信号产生时是异步的，当产生信号的时候，对应的进程可能正在做着更重要的事情，因此这个进程可以暂时不处理这个信号！进程正在做着更重要的事情说明进程可能不需要理解处理这个信号！但是不代表这个信号不会被处理。进程是一定要记住这个信号已经来了（信号有吗？什么信号？）。因此信号处理的常见方式有以下三种：

1. 忽略此信号
2. 执行该信号的默认处理动作
3. 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，这种方式成为捕捉信号（Catch）。

4.信号的产生

我们在前面提到了我们现在只谈论1-31号信号。那么进程要处理一个信号，肯定是先描述，再组织。那么进程是如何记住这个信号的呢？当然是保存在进程的PCB中。由于我们只考虑1-31号进程，因此在进程的tast_struct中有一个uint32_t sig来表示信号。这里使用了位图的思想。什么信号产生我们使用的是比特位的位置。那么怎么判断有没有比特位的产生我们通过比特位的内容，1表示产生，0表示没有产生。因此一个uint_32足以表示1-31个信号了。

而tast_struct是内核的数据结构，因此只有操作系统有权利获得进程的所有属性。所以进程的整个生命周期，无论信号怎么产生，只能是操作系统帮我们进行信号的设置。

4.1 用户层产生信号的方式

4.1.1通过终端按键产生信号

产生信号的第一种方式是通过终端按键产生信号，也就是键盘。系统也为我们提供了一个signal函数，可以捕捉我们产生的信号，接下来我们将使用signal这个函数验证以下终端按键是可以产生信号的。

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.现在我们可以来验证以下。

我们可以使用函数产生信号。我们可以使用signal函数向进程发送信号。

其中handler是函数指针（回调方法），是可以让我们用户自定义处理信号的接口（处理信号的第三种方式）

我们在C++代码中看看如何使用signal函数，在下面这段代码中，我们设置了如果进程接受到了SIGINT信号，就会调用handler函数从而输出指定内容。我们都是SIGINT是2号信号，键盘上按Ctrl +C 本质就是给前台进程发送2号信号，因此当进程跑起来的时候，我们按Ctrl + C时，程序会调用hanlder方法打印指定内容，我们来看看结果吧。

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

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout<<"我是一个进程，刚刚获取了一个信号,信号编号是: "<<signo <<endl;
}

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

    sleep(3);
    cout<<"进程已经设置完了"<<endl;
    sleep(3);
    while(true)
    {
        cout<<"我是一个运行中的进程,我的pid: "<<getpid()<<endl;
        sleep(2);
    }
    
    return 0;
}

注意：这里当SIGINT产生的时候，才会调用hanlder方法。

在2号信号被我们自定义设置的时候，进程按2号信号是不会执行默认动作的，因此此时我们向终止进程不能使用ctrl + c了，我们可以按ctrl + \ , ctrl + \ 是给进程产生3号信号，我们也可以自定义3好信号。按这样的道理，我们可以将31个信号都自定义，那么这个进程是不是就可以不被kill 掉呢？ 其实不是的！其中9号进程是不能被自定义设置的。因为操作系统要保护自己所以肯定不能将所有的信号都自定义。

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

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout<<"我是一个进程，刚刚获取了一个信号,信号编号是: "<<signo <<endl;
}

int main()
{
    for(int sig=1;sig<=31;sig++)
    {
        signal(sig,handler);
    }

    //signal(SIGINT,handler);

    sleep(3);
    cout<<"进程已经设置完了"<<endl;
    sleep(3);
    while(true)
    {
        cout<<"我是一个运行中的进程,我的pid: "<<getpid()<<endl;
        sleep(2);
    }

    return 0;
}

那么我们知道了键盘可以产生信号，那么是谁给进程发送的信号呢？ 答案当然是OS操作系统

4.1.2调用系统函数向进程发信号（kill,raise,abort）

使用kill函数发送信号

我们知道kill命令可以给一个进程发信号，例如我们之前经常使用kill -9 pid 来杀死进程编号为pid的进程。同时kill也是一个系统函数。我们也可以通过软件的方式，调用kill函数从而给指定进程发信号。

我们使用一段C++代码来演示一下kill函数是如何使用的：我们的计划是通过调用kill函数给指定进程发信号，模拟实现kill命令。因此当程序跑完是，如果输入./mykill 9 pid时候可以杀掉指定pid进程。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout<<"我是一个进程，刚刚获取了一个信号,信号编号是: "<<signo <<endl;
}


static void Usage(const std::string &proc)
{
    cerr<<"Usage:\n\t" << proc << "signo pid"<<endl;
}

//我想写一个kill命令
// ./mykill 9 pid
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 3) 
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
 
    if(kill(static_cast<pid_t>(atoi(argv[2])),atoi(argv[1])) == -1)
    {
        cerr<<"kill :" <<strerror(errno) << endl;
    }
    return 0;
}

使用raise函数

raise是一个自取函数，是进程自己给自己发送信号。因此我们在代码中使用一下，加入我们要给自己发送2号信号。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout<<"我是一个进程，刚刚获取了一个信号,信号编号是: "<<signo <<endl;
}


static void Usage(const std::string &proc)
{
    cerr<<"Usage:\n\t" << proc << "signo pid"<<endl;
}

//我想写一个kill命令
// ./mykill 9 pid
int main(int argc,char* argv[])
{
    signal(2,handler);//没有调用对应的handler方法,仅仅是注册


    while(true)
    {
        sleep(1);
        raise(2);//自己给自己发送2号信号
    }
    return 0;
}

使用abort函数

abort是想自己发送SIGABRT信号 -- 6号信号 我们也在代码中调用使用abort函数，并且捕捉以下该信号。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

using namespace std;

void handler(int signo)
{
    cout<<"我是一个进程，刚刚获取了一个信号,信号编号是: "<<signo <<endl;
}


static void Usage(const std::string &proc)
{
    cerr<<"Usage:\n\t" << proc << "signo pid"<<endl;
}

//我想写一个kill命令
// ./mykill 9 pid
int main(int argc,char* argv[])
{
    signal(6,handler);//没有调用对应的handler方法,仅仅是注册


    while(true)
    {
        sleep(1);
        abort();
        //raise(2);//自己给自己发送2号信号
    }
    return 0;
}

通过结果发现：我们刚刚确实捕捉到了6号信号，但是进程依然退出了。因此除了9号信号可以让进程退出。6号信号也可以。

4.1.3由软件条件产生信号

alarm

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(14号)信号，改信号的默认处理动作是终止该进程。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

using namespace std;
int main(int argc,char* argv[])
{
    alarm(3);//3秒后alarm
    int cnt = 1;
    while(true)
    {
        cout<< "我是一个进程 cnt : "<<cnt++<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们调用了alarm函数，经过3秒后闹钟会响，我们没有改变alarm的动作，因此当闹钟响起时，alarm函数会执行默认的终止进程的操作，因此经过3秒后，进程会自动退出。

4.1.4由硬件异常产生信号

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了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。

当我们日常在写代码的时候，如果写了一个/0错误，进程会怎么样呢？

int a = 10;
    cout<< a/0<<endl;

当我们运行时，直接会告诉我们浮点数异常！因此我们之前所写的C/C++代码，我们说程序崩溃了,现在我们站在系统的角度上面我们可以知道，所谓的程序崩溃说法不是很准确，其实是进程崩溃，进程崩溃的本质是该进程收到了异常信号！ 我们写两个进程崩溃的例子。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

using namespace std;
int cnt = 0;
void handler(int signo)
{
    cout<<"我是一个进程，刚刚获取了一个信号,信号编号是: "<<signo << endl;
}


static void Usage(const std::string &proc)
{
    cerr<<"Usage:\n\t" << proc << "signo pid"<<endl;
}

//我想写一个kill命令
// ./mykill 9 pid
int main(int argc,char* argv[])
{
    for(int sig = 1;sig<=31;sig++) signal(sig,handler);
    int a = 10;
    cout<< a/0<<endl;
    return 0;
}

我们再来写一个数组的越界访问，看看效果

int a[100];
    a[10000000] = 100;

（本篇完）