【Linux】进程信号

信号

生活中的信号

• 程序员小明明天晚上要去和女朋友看电影，但女朋友没有说具体时间，只说了到时候打电话通知小明。在小明等待女朋友电话的过程中，虽然期间女朋友的电话还没来，但是小明内心清楚当电话来了后他要做什么（看电影）。也就是小明能“识别电话”。
• 当电话响起时，正在改bug的小明突然觉得女朋友没有那么重要了，于是他决定再改半小时。在这半小时内，小明没有去看电影，但他知道女朋友在等他，也就是说看电影的行为并不是一定要立即执行，可以在“合适的时候”执行（此时小明的看电影条件还不成熟）。
• 在电话响了到小明去看电影是有一个时间窗口的，在这段时间内，小明并没有去看电影，但他知道女朋友在等他。本质上是小明“记住了有个女朋友在等他看电影”。
• 当小明时间合适的时候，就要开始处理了。处理的方式有三种：1. 执行默认动作（马上去看电影） 2.执行自定义动作（打电话和女朋友说改成逛街）3.忽略（忽略和女朋友看电影，继续改bug。。）
• 女朋友电话来的整个过程，对小明来说是异步的，小明不能准确断定女朋友什么时候给他打电话。

进程间的信号

• 信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。
• 和上面举的例子一样，信号处理动作有以下三种

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,这种方式称为捕捉(Catch)一个信号。

• 注意：进程在收到信号时并不是立即处理，而是在合适的时候处理。

信号的产生

• 使用 kill -l 命令查看系统定义的信号列表
  

1.通过终端按键产生信号（键盘）

在程序运行时在键盘上按下Ctrl + c，向此进程发送SIGINT信号（即2号信号）。

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT（即3号信号，键盘Ctrl + \）的默认处理动作是终止进程并且Core Dump。

使用signal函数可以进行信号捕捉，signal(需要进行操作的信号，操作方式)
常见的操作方式是:
signal(2, handler) 对2号信号执行自定义操作（handler函数为用户自定义行为函数）
signal(2, SIG_IGN) 对2号信号执行忽略操作
signal(2, SIG_DFL) 对2号信号执行默认操作（终止进程）

自定义操作示例：

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

void handler(int signo)
{
  printf("catch sig, signo : %d\n", signo);
}

int main()
{
  signal(2, handler); // 对2号信号执行handler自定义操作
  while(1)
  {
    printf("I am a process ... !\n");
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

此时键盘输入 Ctrl+c 向进程发送2号信号，进程不会执行默认的终止动作，而执行用户的自定义动作
输入 Ctrl+\ 结束进程

是否所有信号的动作都能被修改？
测试代码：

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

void handler(int signo)
{
  printf("catch sig, signo : %d\n", signo);
  exit(1);
}

int main()
{
  int i = 1;
  while(i <= 31)
  {
    signal(i, handler); // 捕捉1-31号信号，并修改信号的默认行为
    i++;
  }
  while(1)
  {
    printf("I am a process ... !\n");
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

测试结果说明了 9号 信号不能被捕捉，进程在接收到9号信号后退出。

原因分析：操作系统防止有恶意程序屏蔽信号，导致程序无法退出，所以设置了无法捕捉的 9 号信号。

2.调用系统函数向进程发信号

kill函数：

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);
这两个函数都是成功返回0,错误返回-1。
pid是进程id
signo是信号码

模拟实现kill命令：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>

// kill 9 1234
int main(int argc, char* argv[])
{
  if(argc != 3)
  {
    printf("Usage : %s sig pid\n", argv[0]);
    return 1;
  }

  int sig = atoi(argv[1]);
  int pid = atoi(argv[2]);

  kill(pid, sig); // 系统调用函数
}

通过执行 ./kill 4648 9 可以达到和 kill -9 4846 一样的效果

3.由软件条件产生信号

由软件条件产生的信号主要有SIGPIPE和SIGALRM信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号,在“管道”中已经介绍过了。
SIGALRM信号由alarm函数产生

#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。

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int count = 0;

void handler(int signo)
{
  printf("catch sig, signo : %d, count : %d\n", signo, count);
  exit(1);
}

int main()
{
  signal(SIGALRM, handler);
  alarm(1);
  while(1)
  {
    count++;
  }
  return 0;
}

程序功能：1秒钟之内不停地数数,1秒钟到了就被SIGALRM信号终止

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。

模拟除0异常

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int count = 0;

void handler(int signo)
{
  printf("catch sig, signo : %d, count : %d\n", signo, count);
  exit(1);
}

int main()
{
  int i = 1;
  while(i <= 31)
  {
    signal(i++, handler);
  }
  sleep(3);
  int a = 10;
  a /= 0;
  while(1);

  return 0;
}

由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。

Core Dump

• 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。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。 首先用ulimit命令改变Shell进程的Resource Limit，允许core文件最大为1024K： $ ulimit -c 1024

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int count = 0;

int main()
{
  sleep(3);
  int a = 10;
  a /= 0;
  while(1);

  return 0;
}

运行此代码，产生了core dump，但却没有core文件

原因是Linux默认禁用core，因为程序一旦崩溃就会生成一个core文件；而服务器挂了，人工启动服务器太慢，一般在服务器端用软件启动，如果服务器一直崩溃，一直重启，很快core dump会写满磁盘。

使用ulimit -a命令查看core file size为0

运行ulimit -c 1024 启动Core文件并设置大小为1024K

运行除0程序

发现每次出现异常都会产生一个core文件

core文件可以用来调试

运行编译命令：gcc myprocess1.c -o myprocess1 -g

使用gdb调试，并加载core文件

gdb会在程序出错位置停下

总结

• 所有信号产生，最终都要由操作系统来进行执行，因为操作系统是进程的管理者
• 信号的处理不是立即处理的，而是在合适的时候
• 信号不是被立即处理，那么信号需要暂时被进程记录下来，记录在进程地址空间的一个位图中（无符号整型）
• 一个进程在没有收到信号的时候，知道自己应该对合法信号作何处理
• 操作系统向进程发信号，实际上是向进程写信号，修改进程PCB里面的那个位图的对应比特位

阻塞信号

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
• 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。
• 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.
• 注意,阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

信号在内核中的表示

• 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。
• 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。
• 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。

信号集操作函数

#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置位,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。
• 这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种 信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void show(sigset_t *pending)
{
  int i = 1;
  for(; i <= 31; i++)
  {
    if(sigismember(pending, i))
    {
      printf("1");
    }
    else 
    {
      printf("0");
    }
  }
  printf("\n");
}

void handler(int sig)
{
  printf("handler : %d\n", sig);
}

int main()
{
  signal(2, handler);

  sigset_t set, oset;
  sigemptyset(&set);
  sigemptyset(&oset);

  sigaddset(&set, 2);
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &set);

  int count = 10;
  while(1)
  {
    sigset_t pending;
    sigemptyset(&pending);
    sigpending(&pending);
    show(&pending);
    sleep(1);
    if(count-- <= 0)
    {
      printf("recover signal!\n");
      sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);
    }
  }
  return 0;
}

信号捕捉

内核（操作系统）返回到用户时进行信号处理

首先状态：用户->内核
由于操作系统不相信任何人，不执行用户代码，如果动作是自定义捕捉，则要切换成用户状态执行自定义代码后再返回内核。