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Linux：进程信号（一.认识信号、信号的产生及深层理解、Term与Core）

上次结束了进程间通信的知识介绍：Linux：进程间通信（二.共享内存详细讲解以及小项目使用和相关指令、消息队列、信号量

文章目录

1.认识信号

**概念：**在Linux系统中，进程之间可以通过信号进行通信，实现异步信息的发送和接收。

信号是Linux系统中一种轻量级的通信机制，用于通知进程发生了某种事件或异常情况。进程可以发送信号给其他进程，也可以接收来自其他进程或系统的信号。

  • 异步：是一种编程模型或通信方式，指的是在进行操作或通信时，不需要等待前一个操作完成或响应返回，而是可以继续执行下一个操作或任务(二者是并发的，一个不用等另一个)。异步编程可以提高系统的并发性和响应性，使得程序能够更高效地利用资源和处理多个任务
  • 异步信息通常指的是在通信或交流过程中，信息的发送和接收是不同步的，即发送方和接收方的速度或时间不一致。这种情况下，接收方可能会在不同的时间点接收到发送方发送的信息

可以使用kill -l来查看信号

在这里插入图片描述

  • 1-31是普通信号，34-64是实时信号，没有0，没有32 33

  • 使用数字和名称都行（本质也是宏定义）

进程看待信号方式

  1. 在没有发生的时候，进程就已经知道如果发生了，怎么进行处理：这句话可能指的是预先设置好的信号处理方式。在Linux系统中，进程可以使用signal()或者sigaction()等系统调用来注册信号处理函数，这样当特定信号发生时，系统会调用相应的信号处理函数来处理该信号。

  2. 进程能认识信号：这句话指的是我们可以识别和处理特定的信号。Linux系统定义了一系列标准信号（如SIGINT、SIGTERM、SIGKILL等），每个信号都有特定的含义和默认处理方式，进程可以根据需要识别和处理这些信号。

  3. 信号到来的时候，如果进程正在处理更重要的事情，导致暂时不能处理到来的信号，那么进程必须要把到来的信号进行临时保存：这指的是信号的异步性。当进程正在执行某些重要任务时，如果接收到信号，可能无法立即处理，此时系统会将信号暂时保存，等到合适的时机再进行处理。

  4. 信号到了，可以不立即处理，选择在合适的时候处理：进程可以选择在合适的时机处理信号，而不是立即响应。这种灵活性使得进程能够根据自身状态和需求来处理信号。

  5. 信号的产生是随时产生的，我们无法准确预料，所以信号是异步发送的：信号是由其他用户、进程或系统事件产生的，进程无法准确预测信号的产生时机。因此，信号的发送是异步的，进程需要通过信号处理函数来处理这种异步事件。

异步发送指的是信号是由其他用户或进程产生的，而接收信号的进程在信号到达之前可能一直在处理自己的任务

2.信号的产生

2.1信号的处理的方式 — signal()函数

在这里插入图片描述

signal()函数是Linux系统中用于注册信号处理函数的函数。它的原型如下：

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);//sighandler_t是个函数指针

这个函数接受两个参数：signum表示要捕捉的信号编号，handler表示要注册的信号处理函数。

  1. 参数说明：

    • signum：表示要捕捉的信号编号，可以是预定义的信号宏如SIGINT、SIGTERM等，也可以是用户自定义的信号编号。
    • handler：表示要注册的信号处理函数，其**原型通常是void handler(int signal_number)（调用这样的函数）。**可以是函数指针（自定义），也可以是SIG_IGN（忽略信号）或SIG_DFL（默认处理）。

  2. 返回值：

    • signal()函数的返回值是一个函数指针，指向之前注册的信号处理函数。如果之前未注册过该信号的处理函数，则返回SIG_DFL（默认处理）。

  3. 信号处理方式：

    • 如果handler为函数指针，则表示注册自定义的信号处理函数，当收到指定信号时，系统会调用该函数进行处理。
    • 如果handler为SIG_IGN，表示忽略该信号，即当收到指定信号时不进行任何处理。
    • 如果handler为SIG_DFL，表示使用系统默认的处理方式，通常是终止进程或执行默认操作。

  4. 注意事项：

    • 当使用signal()函数注册信号处理函数时，处理函数并不会立即执行，而是在未来收到对应的信号时才会执行
    • 如果注册了一个处理SIGINT信号的处理函数，但是进程从未收到SIGINT信号，那么注册的处理函数也就永远不会被调用。这种情况可能会发生

  • 定义信号处理函数：指的是编写实际的处理信号的函数，即编写处理SIGINT信号的具体函数逻辑。这个函数通常具有特定的原型，如void handler(int signal_number)。

  • 注册信号处理函数：指的是使用signal()函数将定义好的信号处理函数与特定的信号关联起来。通过注册信号处理函数，系统会在收到对应的信号时调用这个函数来处理信号。

完整的表述应该是：定义一个处理SIGINT信号的处理函数，并通过signal()函数将这个处理函数注册到SIGINT信号上。当进程收到SIGINT信号时，系统会调用注册的处理函数来处理该信号。

2.2kill指令产生信号

kill指令是用于向进程发送信号的命令。通过kill命令，可以向指定进程发送不同类型的信号，例如SIGTERM、SIGKILL等。这些信号可以触发进程中注册的信号处理函数，或者直接终止进程的执行。

kill命令的基本语法为：

kill [options] <PID>

<PID>是要发送信号的目标进程的进程ID。可以通过ps命令或其他方式获取目标进程的进程ID。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>


using namespace std;

int main()
{
    while(true)
    {
        cout << "I'm a process, pid:" << getpid() << endl;
        sleep(2);//我们写个死循环，每隔两秒打印一下
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

2.3键盘产生信号

  1. 我们之前使用的Ctrl+c：ctrl + c -> OS 解释成为2（SIGINT）号信号 -> 向目标进程进行发送 -> 进程收到-> 进程响应

    • 用户按下Ctrl+C组合键，操作系统会将这个操作解释为发送SIGINT（信号编号为2）信号给目标进程。
    • 目标进程收到SIGINT信号后，会执行与之关联的信号处理函数。通常情况下，SIGINT信号会导致进程终止执行，类似于用户主动输入exit或者点击关闭窗口。

  2. 之前使用的Ctrl+\：ctrl + c -> OS 解释成为3（SIGQUIT）号信号 -> 向目标进程进行发送 -> 进程收到-> 进程响应

    • 用户按下Ctrl+\组合键，操作系统会将这个操作解释为发送SIGQUIT（信号编号为3）信号给目标进程。
    • 目标进程收到SIGQUIT信号后，会执行与之关联的信号处理函数。与SIGINT不同的是，SIGQUIT信号通常用于请求进程终止，并且会生成core文件（如果core文件生成是启用的话)

验证：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

using namespace std;

void handler(int signum)
{
    cout << "got a signal, number is : " << signum << endl;
}

int main()
{
    signal(SIGINT, handler);  // 对2号信号SIGINT处理
    signal(SIGQUIT, handler); // 对号信号SIGQUIT处理
    while(true)
    {
        cout << "I'm a process, pid:" << getpid() << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

2.4系统调用发送信号 —kill系统调用、raise()和abort()库函数

kill是一个常见的系统调用，用于向指定的进程发送信号。通过kill系统调用，一个进程可以向另一个进程发送不同类型的信号，从而实现进程之间的通信和控制。

kill系统调用的原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);
  • pid参数指定了要发送信号的目标进程的进程ID（PID）。如果pid为正数，则表示发送信号给进程ID为pid的进程；如果pid为0，则表示发送信号给与调用进程在同一进程组的所有进程；如果pid为-1，则表示发送信号给所有有发送权限的进程。
  • sig参数指定了要发送的信号的编号，可以是预定义的信号常量（如SIGKILL、SIGTERM等），也可以是自定义的信号编号。

kill系统调用的返回值为0表示成功发送信号，-1表示发送信号失败，并且在这种情况下，可以通过errno全局变量获取具体的错误信息。

我们可以利用这个，来实现一个kill指令

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

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        cout << "Usage: kill -signum pid" << endl;
        return 1;
    }

    int signum = stoi(argv[1] + 1); // 获取信号的数字
    int pid = stoi(argv[2]);        // 获取pid

    int n = kill(pid, signum);
    if (n == -1)
    {
        cerr << "kill failed: " << strerror(errno) << endl;
    }
    return 0;
}

可以对任意进程发送任意的信号

  1. raise()函数：raise()函数用于向当前进程发送一个信号。它的原型如下：

    int raise(int sig);

    sig是要发送的信号编号。

    成功时返回0，失败时返回非零值

    对自己发送任意信号

    int main()
{
    int count = 0;
    while (true)
    {
        cout << "cnt: " << count++ << endl;
        sleep(1);
        if (count == 3)
        {
            cout << "send 9 to itself" << endl;
            raise(9);
        }
    }
    return 0;
}

    在这里插入图片描述

  2. abort()函数：abort()函数用于异常终止程序的执行。当调用abort()函数时，程序会立即终止，并向操作系统发送SIGABRT信号。abort()函数的原型如下：

    void abort(void);

    abort()函数会导致程序生成一个core文件，用于调试。一般来说，abort()函数被用于发现程序中的严重错误，并且需要立即终止程序执行。

给自己放指定信号（6号SIGABRT）

2.5软件条件产生信号

  1. 管道

读端关闭其文件描述符并且不再读取数据时，如果写端继续向管道写入数据，操作系统会发送一个SIGPIPE信号给写端进程。默认情况下，这个信号会终止写端进程。SIGPIPE信号是一个用于处理管道写端在写操作时无读端接收的情况的信号。

  1. alarm()函数
#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。

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

在Linux系统中，SIGALRM信号的默认行为是终止进程。当程序设置一个定时器并在定时器到期时产生SIGALRM信号时，如果程序没有显式地捕获和处理这个信号，那么默认情况下操作系统会终止该进程。

alarm(0)，代表取消闹钟：alarm(0)函数会清除之前设置的定时器，并返回剩余的定时器时间（如果有的话）而且不会再触发SIGALRM信号

怎么理解软件条件：

软件条件是指软件层面上的一种异常情况或特定的条件，通常由软件中断信号触发，用来通知进程某种特定的事件已经发生

结构体与堆等数据结构都是软件，也有条件触发

在这里插入图片描述

2.6异常产生信号

  1. 代码除0了，收到8号信号SIGFPE

    void handler(int signum)
{
    cout << "got a signal, number is : " << signum << endl;
    exit(0);
}

int main()
{
    signal(8, handler); // 8号信号SIGFPE
    int a = 10;
    int b = a / 0;
    cout << b << endl;
    return 0;
}

    在这里插入图片描述

  2. 访问野指针指向的空间，收到11号信号SIGSEGV(段错误)

    void handler(int signum)
{
    cout << "got a signal, number is : " << signum << endl;
    exit(0);
}

int main()
{
    signal(11, handler); // 11号信号SIGSEGV
    int* pa=nullptr;
    *pa=10;
    return 0;
}

3.信号产生的深层理解

键盘产生信号

在这里插入图片描述

那么现在又有问题了，什么叫做解释成为信号，什么叫做发送给进程？

信号临时保存在哪里呢？

进程的PCB中，使用位图结构来存1到31号的信号：比特位的位置来表示信号编号，比特位的01来表示是否收到指定的信号

那么发送信号本质上是写入信号：

在这里插入图片描述

task_struct是内核数据结构，只有OS有能力写入。我们用户只能使用系统调用。所以，无论信号产生的方式有多少种，最终都是OS在进程中写入信号的

异常产生信号

  • 除0异常

在这里插入图片描述

但如果我们自定义处理里，没有进行exit()退出，那么就会一直打印

因为，寄存器中的数据都是进程的上下文，CPU一直在进行进程的调度，那么就涉及到进程上下文的保存和恢复，因为我们没有进行退出操作，所以每次恢复后，异常还是存在。

  • 野指针异常

在这里插入图片描述

最终信号一定都是OS进行写入进程中的信号位图中

总结一下：

  • 上面所说的所有信号产生，最终都要有OS来进行执行，为什么？OS是进程的管理者

  • 信号的处理是否是立即处理的？在合适的时候

4.Term与Core

在这里插入图片描述

  1. Term（Termination）：
    • 当进程接收到一个默认处理动作为Term的信号时，操作系统会立即终止该进程的执行。
    • 进程在接收到这样的信号后，会立即停止运行，并释放其所占用的系统资源。
    • 除非进程已经捕获了该信号并定义了自己的信号处理函数，否则进程会按照默认的Term动作被终止。
  2. Core（Core Dump）：
    • 当进程接收到一个默认处理动作为Core的信号时，操作系统不仅会终止该进程的执行，还会生成一个核心转储文件（core dump file）。
    • 核心转储文件是进程在异常终止时的内存映像，它包含了进程在终止时的状态信息，如变量值、函数调用栈等。
    • 这个文件对于程序员来说非常有用，因为它可以帮助他们分析进程崩溃的原因，进行调试和修复。
    • 与Term不同，Core动作在终止进程的同时还会生成一个额外的文件。

需要注意的是云服务器默认关闭了core file的选项：因为如果程序崩溃是由于某种未知的错误或条件触发的，并且这个问题没有得到及时解决，那么核心转储（core dump）文件可能会不断生成，占用大量的磁盘空间

ulimit -a 是一个在 Linux中用于显示当前 shell 会话的资源限制的命令。ulimit 命令允许用户设置或查看各种 shell 和进程资源限制。这些限制可以帮助防止系统资源的滥用，如 CPU 时间、文件大小、打开的文件描述符数量等。

当你运行 ulimit -a 时，它会列出所有当前设置的资源限制。以下是一些常见的 ulimit 资源和它们的描述：

  • -c: core file size (blocks, -c unlimited disables core files)
  • -d: data seg size (kbytes, -d unlimited)
  • -e: scheduling priority (-e 0 to 20)
  • -f: file size (blocks, -f unlimited)
  • -i: max locked memory (kbytes, -i unlimited)

如果想要修改某个限制，可以使用 ulimit 命令加上相应的选项和新的限制值。

例如，要设置最大打开文件描述符数量为 4096，你可以运行 ulimit -n 4096。但是请注意，这些限制通常只影响当前 shell 会话和由该 shell 启动的子进程。它们不会永久地改变系统配置。

我们想要产生core文件的话：ulimit -c选项设置core file的大小

core文件

  • 为什么要有这个文件：我们想通过core来知道进程为什么退出，以及执行到哪行代码退出的
  • 是什么：将进程在内存中的核心数据（与调试有关的）转储到磁盘中形成core、core.pid的文件
  • 作用：最大的作用是方便我们调试了

Core文件是Linux系统下的内核转储文件，当程序崩溃时由操作系统生成，主要用于对程序进行调试。

当程序出现内存越界、段错误（Segmentation Fault）或其他异常情况导致崩溃时，操作系统会中止该进程，并将当前内存状态、寄存器状态、堆栈指针、内存管理信息以及各个函数使用堆栈信息等保存到Core文件中。这样，程序员就可以通过读取和分析Core文件来找出程序崩溃的原因和位置，从而进行调试和修复。

Core文件的存在是为了帮助程序员更好地理解和解决程序崩溃的问题。由于Core文件包含了程序崩溃时的详细内存状态信息，因此它对于调试复杂的内存问题、并发问题以及系统调用等问题非常有用。同时，由于Core文件是在程序崩溃时自动生成的，因此它也可以作为一种自动记录程序崩溃信息的机制，方便程序员进行事后分析和排查。

但是，由于Core文件可能包含大量的内存数据，因此它可能会占用较大的磁盘空间。在不需要进行调试或分析的情况下，可以通过修改操作系统的配置来禁止生成Core文件或将其保存到其他位置。

在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>

using namespace std;

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        int a = 10;
        a /= 0;
        exit(1);
    }
    // father
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    cout << "exit code:" << ((status >> 8) & 0xff) << endl;
    cout << "exit signal:" << (status & 0x7f) << endl;
    cout << "core dump:" << ((status >> 7) & 0x1) << endl;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

今天也是到这里了，（存货太多慢慢发了）。学了网络部分的要赶快做项目了

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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