【Linux系统】Linux进程信号详解

0 引言

本篇文章会从Linux信号的产生到信号的保存，最后到信号的处理逐过程讲解

1 认识信号

1.1 什么是信号

在计算机科学中，信号是Unix、类Unix以及其他POSIX兼容的操作系统中进程间通讯的一种有限制的方式。它是一种异步的通知机制，用来提醒进程一个事件已经发生。当一个信号发送给一个进程，操作系统中断了进程正常的控制流程，此时，任何非原子操作都将被中断。如果进程定义了信号的处理函数，那么它将被执行，否则就执行默认的处理函数。

在Linux中使用 kill -l 命令来查看信号类型

在上图中，1-31的信号为分时信号，34-64为实时信号。本篇文章过多不讨论实时信号。
实时信号是当该类型信号被发送后，需要立即被处理。而分时信号可以等到合适的时机再去进行处理，进程只需要保存有没有产生该信号即可。

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man 7 signal 查询各种信号的处理动作

Core Dump(核心转储)

首先解释什么是Core Dump。当一个进程要异常终止时,可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上,文件名通常是core,这叫做Core Dump
在上图中 Action那列，信号的处理动作 Core和Term本质上都是终止掉进程，但是如果是Core这种动作的话，在发送这种类型的信号时，会把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上。
如果只是Term （terminal），就只是终止掉该进程而已

进程异常终止通常是因为有Bug,比如非法内存访问导致段错误,事后可以用调试器检查core文件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug（事后调试）。一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存 在PCB中)。默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。

$ ulimit -a//查看

ulimit -c 字节大小 //修改core文件大小

1.2 发送信号的本质

信号是需要被进程保存的，那么就需要一种数据结构来进行保存。只需要记录某种信号是否产生或者不产生，用0或1表示即可。上面的分时信号是31个，而32位系统下一个整数的比特位是32，那么我们可以利用“位图”这种结构来保存。

进程的task_struct中也确实采用了位图这种数据来保存信号，用int表示：

uint32_t signals:
00000000 00000000 00000000 00000000

当9号信号产生时，直接把9号位置改为1即可

00000000 00000000 00000001 00000000

所以，所谓的发送信号，本质是写入信号，直接修改特定进程信号的位图中的特定比特位即可。
因为task_struct数据内核结构，只能由操作系统（OS）来修改，所以无论有多少种信号产生的方式，最终都必须让OS来完成最后的发送过程。

1.3 信号的处理

当进程收到信号时，需要对该信号进行处理。
信号的处理有三种：
1.默认动作
2.忽略信号
3.自定义动作

2 信号的产生

2.1 键盘产生

用户在Linux下执行一个前台进程，然后使用ctrl+c操作，会直接终止掉该前台进程。这是因为用户按下ctrl+c，这个键盘输入产生一个硬件中断，被OS获取，解释成信号，发送给目标前台进程，前台进程因为收到信号，进而引起进程退出。

ctrl+c组合键只能终止掉前台进程，对后台进程无效。这时我们可以使用kill -9指令来该终止进程。

验证如下：
我们在Linux下运行该代码：

这是前台进程，当我们按下ctrl+c的时候，进程会直接终止。

我们把它变为后台进程：
在运行命令后加一个 &

ctrl+c 命令无效
使用kill -9 进程才能正常杀掉

$ kill -9 2001//2001是进程的pid

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ctrl+c本质上是2号信号，默认处理动作是终止进程，我们可以signa函数来自定义处理动作，验证一下。

利用signal函数验证ctrl+c指令本质上是2号信号

运行上面代码，按下ctrl+c后，进程确实终止了，而且是用了我们2号信号终止的。

值得一提的是，在这31个信号中，我们可以对除9号信号以外的所有信号进行自定义捕捉，把处理动作设置成我们需要的动作。
9号信号叫做管理员信号，操作系统不允许用户修改9号信号的动作。
假设可以被修改，我们的自定义动作如下：

void handler(int signo)//处理动作的方式
{std::cout << "get a signal: " << signo << std::endl;
}

整个代码无法让进程终止，1到31个信号没一个可以终止掉，因为动作都被修改为自定义的了。那么如果这个进程运行了，是不是就无法终止了，没有办法处理掉他了，这太危险了。所以至少要保留一个信号处理动作不能被用户随意修改，这就是9号信号为什么是管理员信号。

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2.2 调用系统函数向进程发送信号

kill函数

其实我们上面使用的kill命令本质上就是调用了系统函数kill

raise函数

raise函数可以给当前的进程发送指定的信号。（就是自己给自己发送信号）

运行下列代码


abort函数

abort函数，给当前进程发送6号信号

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2.3 由软件条件产生信号

在Linux进程间通信中使用管道时，SIGPIPE信号实际上就是一种由软件条件产生的信号，当进程在使用管道进行通信时，读端进程将读端关闭，而写端进程还在一直向管道写入数据，那么此时写端进程就会收到SIGPIPE信号进而被操作系统终止。

这就是软件条件产生信号，当满足条件时，就会发送信号终止进程。

本小节主要介绍alarm函数和SIGALRM信号（14号信号）

#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, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

在笔者这里确实是1秒钟后进程被终止了。

这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。如果seconds值为0,表示取消以前设定的闹钟,函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数

执行下面代码，我们使用 kill -14 命令提前唤醒闹钟

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2.4 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以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。

3 信号的保存

信号的一些其他相关概念

1.实际执行信号的处理动作称为信号递达（Delivery）
2.信号从产生到递达之间的状态（该信号被保存了），称为信号未决（Pending）
3.进程可以选择阻塞（Block）某个信号
4.被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，知道进程解除对该信号的阻塞，才执行递达的动作
5.阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是信号递达之后的一种处理动作

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信号在内核中的表示示意图：

1.每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号
产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作

2.SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞

3.SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。
如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。

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sigset_t
从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

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信号集操作函数
sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现,从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量,而不应该对它的内部数据做任何解释,比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号

函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置1,表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的
状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号

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sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

#include <signal.h> int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
返回值:若成功则为0,若出错则为-1

如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里,然后 根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值

验证：

运行这段程序，预期结果是2号信号被阻塞了，对该进程无法使用2号信号来终止掉进程。
2号信号可以通过ctrl+c产生，可以看到2号信号对该进程无效

我们使用命令来尝试使用2号信号结束该进程

还是无效，这说明2号信号确实是被阻塞了

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sigpending

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。

该程序的预期结果是：
先打印31个0，因为一开始没有信号未决。
然后当我们发送2号信号后，位图结构的第二个位置会从0变为1
原因是，2号信号被我们阻塞了，此时信号处于未决状态。

4 信号的处理

前面我们讲过，信号是在合适的时候被处理。原因是信号的产生是异步的，当前进程可能正在做更重要的事情。
所谓的“合适的时候”，是指当进程从“内核态”切换到“用户态”时，进程会在OS的指导下，进行信号的检测和处理（默认，忽略，自定义捕捉）。

用户态：执行用户所写的代码的时候，进程所处的状态
内核态：执行OS所写的代码的时候，进程所处的状态

当进程时间片到了或者用到系统调用时就要从用户态切换到内核态。

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内核如何实现信号的捕捉
如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函 数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是 两个独立的控制流程。 sighandler函数返
回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。 如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了

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sigaction

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

该函数的用法和signal一样，但是功能更强大一些

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非 空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体

将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动
作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回
值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信
号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。

当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字

5 总结

以上就是Linux进程信号从产生到保存到处理的过程。
Linux 中的信号机制可以用于处理各种异常情况，如程序执行过程中的错误、非法操作、内存溢出等。在遇到这些异常情况时，系统会向进程发送相应的信号，进程可以安装信号处理函数来捕获并处理这些信号，以避免程序崩溃或出现严重错误。

下面是一些使用信号处理异常的常见场景：

    1、程序崩溃处理

当程序出现异常情况时，如空指针访问、内存溢出等，系统会向进程发送 SIGSEGV 或 SIGABRT 信号，进程可以安装信号处理函数来捕获这些信号，打印出错信息、保存程序状态，最终退出程序或进行恢复操作。

    2、非法操作处理

进程可以使用信号来捕获非法操作，如非法指令、非法访问等。在接收到这些信号时，进程可以使用信号处理函数来打印错误信息、终止程序或进行其他处理。

    3、系统资源不足处理

当系统资源不足时，如内存不足、文件打开数达到最大限制等，系统会向进程发送相应的信号，进程可以使用信号处理函数来释放资源、减少内存使用、关闭文件等，以避免系统崩溃。

    4、进程间通信错误处理

当进程间通信出现错误时，如通信超时、通信失败等，进程可以使用信号来捕获这些错误，打印错误信息、重新发送数据等。

总之，信号机制是 Linux 中一种非常有效的处理异常情况的方式，可以用于捕获各种类型的异常、进行错误处理、保护系统安全等。在编写程序时，需要注意对各种异常情况的处理，及时捕获信号并进行相应的处理，以提高程序的稳定性和可靠性。