Linux 信号产生方式

目录

信号的概念

信号的本质

名词解释

异步

前台进程

后台进程

前后台进程区别

中断

发送信号

前后台进程相关命令

信号产生的方式

查看有多少信号

进程怎么保存信号

方法1：键盘产生

signal 

过程

注意

方法2：使用系统调用发送信号

kill

raise

abort

方法3：通过异常

解释：除0为什么会终止进程

解释：空指针的解引用

小结

方法4：软件条件

alarm

小结

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信号的概念

• 向目标进程发送通知消息的一种机制
• 信号产生时，进程不一定立即处理它，而是在合适的时候处理，所以要能够保存信号
• 信号是异步产生的
• 进程通过不同的数字识别信号
• 有64种情况（信号）让你中断程序

信号的本质

• 用软件来模拟中断的行为
• 信号的本质是一种进程间通信机制，用于通知进程发生了异步事件，并请求其对该事件进行处理
• 信号本质上是一种软中断，允许操作系统以非阻塞的方式向进程发送通知，以便进程可以响应某些重要的系统或用户事件

名词解释

异步

• 你做你的我做我的，不会立即影响我
• 是任务之间的执行不需要彼此等待，而是可以独立地进行

前台进程

• 系统层面上只能有一个，且必须有一个
• 能接受用户输入
• 运行前台进程时(shell除外)，命令不能运行
• 当没有前台进程时，OS会将shell提到前台
• 可以理解为shell这个前台进程可以启动别的前台进程
• 一定是正在运行的

后台进程

• 方式：启动时 最后加一个&
• 可以运行命令，因为这时shell变成前台进程
• 可以运行命令是因为shell是前台进程

前后台进程区别

• 能不能接收用户输入

中断

发送信号

• 其实是写信号，操作系统写到对应task_struct的位图里

前后台进程相关命令

bg number

• 将后台暂停进程变成后台运行进程

fg number

• 将后台进程切到前台，启动

jobs

• 查看后台任务

信号产生的方式

查看有多少信号

• 向特定进程发送信号
• 可以使用名字也可以使用数字
• 没有0号信号，为了标识进程正常结束，不然不知道是否要读取退出码
• 1-31：普通信号；；；34-64：实时信号
• 实时信号：一般要求OS立即处理，一般不会出现信号丢失的情况（底层用队列，链表）
• 每个进程都有一张自己的函数指针数组，数组的下标和信号编号强相关（底层指向的函数都是同一份）

进程怎么保存信号

进程是否收到信号---通过位图

• 位置决定编号
• 内容决定是否收到信号
• 进程的PCB中维护这张位图
• 用位图来管理的信号称为普通信号 

方法1：键盘产生

外设间接向CPU特定的针脚发送就绪信息的

1. 数据层面上CPU不和外设打交道，但是在控制信息层面上打交道（通过CPU针脚）
2. 硬件给CPU发送中断信息
3. CPU和外设是间接连接的
4. 90以上的设备要有中断
5. 通过8259将外设信息转换为光电信号
6. CPU中特定的针脚所对应的编号叫做中断号
7. OS内部提供一个函数指针数组（中断向量表，OS启动时候启动的第一张表），下标就是中断号对应硬件的读取方法，数据由外设拷贝到对应的内存区域里
8. 按键盘的时候，键盘是基于中断来进行驱动的、
9. 这个过程像信号，都有编号
10. 输入的数据分两类：1.正常输入，2.控制数据

ctrl c

• 一般情况下终止前台进程，但shell不会被终止
• 本质就是给前台进程发送 2 号信号

ctrl z

• 前台进程变成后台进程且暂停进程，这时候，shell会变成前台进程

ctrl \ ：3号 默认终止进程

系统调用

signal 

• 通过第一个参数找到地址，并将后面函数地址覆盖原来的函数（这也证明了确实每个进程都要一个函数指针数组，因为你要修改它啊）
• 信号可以被handler自定义捕捉
• 找到一张信号的函数指针表(PCB好像指向这个表)，通过信号编号缩影到对应的函数

函数原型

#include <signal.h>typedef void (*sighandler_t)(int);sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数

sigum

• 表示要捕捉的信号编号

handler

• 指向信号处理函数的指针，定义了在收到指定信号后应执行的处理方式
• 实际上就是在 task_struct 的信号处理表（action 数组）中替换相应信号编号对应的处理函数指针

返回值

• 成功时，返回信号的先前处理函数的指针
• 失败时，返回 SIG_ERR 并设置 errno 以指出错误原因

实际作用就是替换掉原理的方法

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void handler(int x)
{std::cout << x << "信号被写入" << std::endl;exit(0);
}
int main()
{signal(2, handler);while(true){std::cout << "正在运行" << std::endl;sleep(1);}
}

实验结果

• 在按ctrl c 时会打印  2信号被写入
• 说明ctrl c会触发2号信号

过程

1. 键盘按下，通过硬件中断向CPU发送IRQ1信号，挂起正在处理的进程，先去处理键盘
2. cpu将会执行中断号对应的中断向量表里的方法---到这处理器准备好了，数据下面这样来
3. OS去读 键盘控制器 提供的 扫描码，给CPU处理，得到字符，放入输入缓冲区中（专门处理键盘的）
4. OS读取输入缓冲中的数据，发现如果是组合键，OS会生成对应的信号
5. OS将这个信号放入，前台进程的task_struct的pending对象中
6. OS会定期将pending中的信号，给队友的进程

注意

• 并不是所有的信号函数都可以被替换，9号就不行

man 7 signal

方法2：使用系统调用发送信号

kill

int kill(pid_t pid, int sig);

• 可以向任何进程发送

系统调用原型

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int kill(pid_t pid, int sig);

参数

pid

•  指的进程的pid

sig

• 发送的信号类型

返回值

• 成功返回0
• 失败返回 -1， 设置errno

raise

• 向调用它的进程发送一个信号

函数原型

#include <signal.h>int raise(int sig);

 sig

• 发送的信号类型

返回值

• 成功时：返回 0
• 失败时：返回非零值

abort

• 是一个用于立即终止程序执行的 C 标准库函数

函数原型

#include <stdlib.h>void abort(void);

特点 

• 给自己发送信号SIGABRT，允许被捕捉(这个信号)
• 就算这个信号被捕捉了，依旧可以终止进程
• 因为用户捕捉了和我函数没关系，它不通过acitve数组里的下标去找，就是封装好的

方法3：通过异常

解释：除0为什么会终止进程

1. CPU内部状态寄存器的溢出标志位中计算结果出现异常，即溢出标志位被设置为1(只占一个bit位)
2. 因为OS要管理软件和硬件
3. 硬件出问题了，OS向引发该错误的进程发送特定的信号，来终止这个进程
4. 这个过程和语言没关系，所有语言都会，因为这是进程出现异常了
5. 其实就是进程的上下文有问题，CPU不允许加载
6. CPU报告给OS，OS去解决对应的进程

注意

• CPU的寄存器属于CPU，但是寄存器里的内容不属于CPU，属于当前进程，即硬件上下文，所以状态标记寄存器的标志位为进程的上下文，所以只要将这个进程干掉，status标志位间接置0了(让其他进程覆盖)
• 把进程杀掉就是处理异常的方式之一，也是恢复了CPU信息的健康状态方法之一 

将8号的处理方法改成一句打印，为什么会一直执行打印？

过程解释

1. 进程运行，它的上下文加载到CPU内，状态标记寄存器表示错误
2. 进程不继续执行 
3. 通知OS，这个进程有问题，给他发送8号信号
4. 执行8号信号对应的方法，打一句话
5. 但是这个进程没有被退出，过段时间上下文又被加载到CPU上

解释：空指针的解引用

MMU

• CPU内部有个MMU（集成的小的硬件电路）和页表一起找到物理内存地址，所以进来的是虚拟地址，出去的就是直接访问物理内存了

过程详解

1. 页表中没有映射到0地址处
2. MMU里面也有标志位，标志本次转化是否成功
3. 一旦MMU出问题OS就知道了，又识别到硬件问题了
4. 所以OS将引起这个错误的进程干掉
5. 本质是虚拟到物理转换出现的硬件问题 

小结

1. 所以说vs中出现这些异常和vs没有关系，根本原因是被windows检查到了错误信息，进程被windows杀掉了，所以进程被杀，上下文就没了，错误信息就没了

2. 语言的异常和系统的有区别，抛出异常的根本目的不是为了修正异常，而是为了在固定的地点打印出现的是什么异常，大部分异常是没法修正的；

3. 抛出异常，处理异常的机制，更多是为了让执行流正常结束的

方法4：软件条件

概念

• 当程序执行中达到某种特定状态或满足某种条件时，程序内部逻辑通过调用系统的信号接口来触发信号
• alarm 函数本质上是一个软件定时器，它依赖的是程序自身的计时机制，而不是外部硬件
• alarm 设置的倒计时结束后，程序会触发一个 SIGALRM 信号，通知程序某个时间点或条件达成；这种基于时间的触发机制也是一种软件条件

alarm

• 函数是一个在 POSIX 标准中定义的系统调用，用于设置一个定时器，在指定的时间（秒）后触发 SIGALRM 信号(14)
• 在一个进程中，alarm 计时器实际上只能设置一个；因此，一个进程内只有一个 alarm 计时器是有效的
• 每次调用 alarm() 会返回上一次计时器的剩余时间（如果有的话），然后开始新的倒计时

函数原型

#include <unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds);

参数

seconds

• 设置一个倒计时，若为0，则取消当前进程的计时器

返回值

• 返回上一次调用 alarm() 的剩余秒数。如果没有设置过计时器或者上一个计时器已经完成，则返回 0

测试代码

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>int n = 0;
void handler(int sig)
{n = alarm(0);std::cout << n << std::endl;}
int main()
{signal(14, handler);std::cout<<getpid()<<std::endl;alarm(100);n = alarm(8);while(1){std::cout << n << std::endl;sleep(1);}std::cout<<getpid()<<std::endl;std::cout<<getpid()<<std::endl;std::cout<<getpid()<<std::endl;}

结果

• 8个10，后序都是0

小结