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Linux 信号的产生

article 2024/11/13 11:08:45

1. 概念

在Linux系统中，信号是一种进程间通信的机制，它允许操作系统或其他进程向特定进程发送异步通知。我们可以通过命令 kill -l来查看信号的种类：

Linux系统中的信号可以分为两大类：传统信号和实时信号。从上图可以看出它们分为两个区间：[1, 31] 和[34, 64]，无32和33号信号，[1, 31] 区间为传统信号共有31种，当进程收到传统信号后，可以自己选择合适的时候处理；[34, 64]为实时信号共有31种，当进程收到实时信号后，立马处理。

以下是一些常见信号的简要说明：

SIGINT（2）：用户通过Ctrl+C发送的中断信号，通常用于请求进程终止。
SIGQUIT（3）：用户通过Ctrl+\发送的退出信号，通常用于请求进程终止并生成core dump。
SIGABRT（6）：通过调用abort()函数产生的信号，用于异常终止程序。
SIGFPE（8）：发生致命的算术运算错误时产生。
SIGKILL（9）：用于立即强制终止进程的信号，不能被进程捕获、阻塞或忽略。
SIGSEGV（11）：试图写入无效内存地址时产生。
SIGALRM（14）：由alarm()函数设置的计时器到期时产生。
SIGSTOP（19）：停止进程执行的信号，不能被进程捕获、阻塞或忽略。
SIGTSTP（20）：由用户通过Ctrl+Z发送的暂停信号，可以被进程捕获和处理。

进程接收到信号后，有三种处理信号的方式：

忽略此信号
执行信号的默认处理函数
执行信号的自定义处理函数，这种方式也称为信号捕捉

前两种均为操作系统自带的方式，我们可以通过 man 7 signal 命令来查看这些处理行为：

Term (Terminate)：这是当一个信号没有被处理（即没有安装信号处理函数）时，信号的默认行为，收到信号的进程将被终止。例如，SIGTERM的默认行为是终止进程。
Ign (Ignore)：进程可以选择忽略一个信号，这意味着当信号到达时，进程将不会执行任何默认行为或自定义处理函数。
Core：指的是在进程终止时生成core dump的行为。当进程因为某些信号（如SIGSEGV）而终止时，如果设置了对应的信号行为为core，系统将生成该进程在终止瞬间的内存快照，以便于后续的错误分析。
Stop：指的是信号的默认行为或自定义动作是停止进程的执行。例如，SIGSTOP信号会使进程停止，且不能被进程捕获或忽略。其他可停止信号（如SIGTSTP）可以被进程捕获和处理。
Cont (Continue)：指当一个已停止的进程接收到继续信号（如SIGCONT）时，将恢复执行。进程从停止状态恢复到运行状态。

我们继续往下翻可以看到各种信号对应的默认行为。

接下来我们来介绍第三种信号处理的方式，即信号捕捉。需要使用到 signal 函数。signal 函数是C语言标准库中的一个函数，用于设置信号处理程序，当程序运行时接收到特定的信号，signal 函数允许开发者定义一个函数来响应这些信号。

其中，signum参数指定了要处理的信号编号，handler参数是一个指向信号处理函数的指针，该函数指针类型为 void (*)(int)。如果 handler为SIG_IGN，则信号将被忽略；如果为 SIG_DFL，则信号将采用默认的操作系统行为。

#include<iostream>
#include<signal.h>
using namespace std;
void handler(int signum)
{
    cout<<"received signal: "<<signum<< endl;
}
int main()
{
    signal(2,handler);
    while(1)
    {
        cout<<"waiting for signal..."<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

以上代码中，我们通过 signal(2, handler) 把2号信号的处理方式变成了执行函数handler。而从上文介绍我们了解到从键盘上按下 ctrl + C 可以发送2号SIGINT信号。

可以看到按下ctrl + C后，本来是发送2号信号时会直接终止进程，但修改处理行为后，现在输出receive signal: 2了。

3. 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 这种控制键产生的信号。

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。

2. 产生

信号可以由多种方式产生，包括硬件产生和软件产生。

软件产生

软件产生的信号指的是由进程自身或其他进程产生的信号，其可以通过系统调用实现，常用的系统调用包括 kill()、raise()、abort()和alarm()。

kill

kill函数是在Unix和类Unix系统中，包括Linux，用于向进程发送信号的系统调用。这个函数允许一个进程请求操作系统向另一个进程发送指定的信号，从而可以控制目标进程的行为，如终止进程、请求进程停止或继续执行等。

参数：

pid：目标进程的进程ID。如果pid为正数，则信号发送给指定的进程；如果pid为0，则信号发送给调用进程所属的进程组。
sig：准备发送的信号码。如果sig为0，则不发送信号，但会执行错误检查，通常用于检测目标进程是否存在。

返回值：

返回0：发送信号成功
返回-1：发送信号失败


void handler(int signum)
{
    cout<<"received signal: "<<signum<< endl;
    exit(1);
}
int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0)//child
    {
        signal(2,handler);
        while(1)
        {
            cout<<"child process waiting for signal..."<<endl;
            sleep(1);
        }
    }
    sleep(5);
    kill(pid,2);//send signal to child process
    return 0;
}

代码示例如上，子进程等待信号，5秒后，父进程向子进程发出2号信号，子进程收到该信号并执行handler 函数，最终退出。

同时，我们也可以在 Shell 中使用 kill 命令，如下，其底层为调用 kill接口。

kill -sig pid

raise

参数：

sig：要发送的信号的编号

返回值：

返回0：发送信号成功
返回-1：发送信号失败

在Linux系统编程中，raise函数用于给当前进程发送一个信号，这个函数等效于kill(getpid(), sig)。raise函数通常用于引发特定的信号处理程序，或者在需要立即响应信号的场景中使用。

void handler(int signum)
{
    cout << "received signal: " << signum << endl;
    exit(1);
}
int main()
{
    signal(2, handler);
    int cnt = 5;
    while (cnt--)
    {
        cout << "waiting for signal,cnt = " << cnt << endl;
        sleep(1);
    }
    raise(2);
    return 0;
}

代码示例如上，while 循环执行5秒后，进程给自己发出2号信号，进程收到该信号并执行handler 函数，最终退出。

abort

在Linux系统中，abort函数是一个用于立即终止程序执行的系统调用。它不仅终止程序，而且会生成一个core dump（如果系统配置允许），这有助于调试和理解程序崩溃时的状态。

当abort函数被调用时，它会向调用进程发送SIGABRT信号，SIGABRT信号的值通常为6。如果这个信号没有被处理，则默认行为是终止进程并生成core dump，以便后续的错误分析。

core dump的概念

接下来我们来了解 core dump 是什么，core dump 是指当Linux或Unix-like系统中的程序因为异常或错误而崩溃时，操作系统会生成的一个包含了程序崩溃时内存映像的文件。这个文件通常包含了程序的寄存器状态、堆栈信息、内存管理信息等，可以用于调试目的，帮助开发者分析程序崩溃的原因。

代码示例：

int Div(int a, int b)
{
    if (b == 0)
        abort();
    return a / b;
}
int main()
{
    int a = 5, b = 0;
    cout << Div(a, b);
    return 0;
}