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linux信号 | 学习信号三步走 | 全解析信号的产生方式

article 2024/11/20 13:23:39

前言：本节内容是信号，主要讲解的是信号的产生。信号的产生是我们学习信号的第二个阶段。我们已经学习过第一个阶段——信号的概念与预备知识（没有学过的友友可以查看我的前一篇文章）。以及我们还没有学习信号的第三个阶段——信号的保存与处理。

ps：本节内容主要为信号的产生，需要友友们了解信号的概念以及信号的预备知识后再进行学习。

信号的产生有很多种，但是无论信号如何产生，最终一定是由 OS 发出的。 ——为什么？因为OS是进程的管理者。就比如弟弟惹到了姐姐，然后姐姐向爸爸告状，爸爸收到姐姐的告状后就会去找弟弟，然后教育一顿。这里面爸爸就是执行者OS，然后弟弟就是被管理者，姐姐就是发送的那个信号。

键盘组合键

kill命令

系统调用

kill 系统调用

接口

应用

raise——发送一个信号给调用者

接口

应用

abort

接口

应用

异常

异常：为什么除零，或者野指针会给进程发送信号呢？

除零

野指针

软件条件

alarm

dump

键盘组合键

产生信号的第一种方法是键盘组合键，信号组合健种最常见ctrl + C，我们在运行一个程序，如果程序陷入死循环，我们这个时候无论输入任何指令都是没有用的。所以就要使用ctrl + C将程序退出。 这里我们点击ctrl + C，本质其实就是给进程发送了一个信号。这个信号是2号信号。

同样的，键盘组合键还有另外一种比较常见的组合键就是ctrl + \。同样也是给进程发送信号，不过信号序号是3号信号。当进程识别到这些信号，就会终止，退出自己。

这里有一个函数，用来捕捉我们的信号，叫做signal

这里面有两个参数，第一个参数是signum，意思是要捕捉的信号编号。第二个参数是handler，意思是捕捉到信号后，重新定义的信号的处理方式。

如下是一个2号信号的捕捉操作：

kill命令

kill 命令可以用来终止正在运行的进程。kill命令通过发送不同的信号给目标进程，如我们经常使用的kill -9。 kill命令的使用方法是kill 命令序号 PID。

这里博主利用信号的捕捉来验证我们的kill命令。（注意，接下来实验过程中我们可以发现signal并不能捕捉9号和19号命令），下面是代码:

#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<signal.h>

void myhander(int x)
{
  cout << "signal is " << x << endl;
}

int main()
{
  for (int i = 1; i <= 31; i++)
  {
    signal(i, myhander);
  }



  while (true)
  {
    cout << "hello signal ， PID : " << getpid() << endl;
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

接下来我们就完成编译。并且打开两个终端，一个终端用来发送信号即可：

博主上面对于1 ~ 31个信号没有全部进行测试，但是友友们可以全部测试一下。然后就能发现， 除了9号和19号，其他的信号都可以被捕捉。并且也验证了我们的kill命令可以给进程发送信号。——那么，为什么9号和19号信号要暴露出来，不能被捕捉。是因为这两个信号，一个是杀掉进程，一个是暂停进程。 如果我们今天想写一个恶意病毒，恶意软件。那么我们把9号、19号信号一捕捉，操作系统就杀不掉这个病毒了，那怎么办？所以， 必须要将9号和19号暴露出来。

系统调用

kill 系统调用

接口

kill系统调用是发送一个信号给进程。这里的第一个参数进程pid，意思是发给哪一个进程。第二个参数是sig，表示发送哪一个信号。

kill调用的返回值是如果成功，零被返回。如果失败， -1被返回。

应用

这里我们定义一个proc程序，用来循环打印一条语句：
#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>

void myhander(int signum)
{
  cout << "signal is : " << signum << endl;
}


int main()
{
  for (int i = 1; i <= 31; i++)
  {
    signal(i, myhander);
  }
  while (true)
  {
    cout << "i am a process,  pid : " << getpid() << endl;
    sleep(1);
  }
  return 0;
}
这里之所以要signal捕捉信号是因为要检测当前进程是否收到了信号，正确的信号。并且这个语句执行后，会循环打印进程自己当前的pid。

然后，我们创建另一个程序， mykill, 用来封装kill系统调用。

#include<iostream>
using namespace std;
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<cstring>

int main(int argc, char* argv[])
{
  if (argc == 3)
  {
    kill(stoi(argv[0]), stoi(argv[1]));
  }
  else
  {
    cout << "please set mykill.exe + pid + sig" << endl;
    exit(1);
  }
  return 0;
}

运行结果：

raise——发送一个信号给调用者

接口

这里面的参数只有一个sig，意思是要给当前进程发送哪一个信号。返回值int，当成功时返回零，失败时返回非零。

应用

#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<signal.h>

void myhander(int x)
{
  cout << "signal is " << x << endl;
}



int main()
{
  signal(2, myhander);
  int cnt = 5;

  while (true)
  {
    cout << "hello signal ， PID : " << getpid() << endl;
    sleep(1);
    cnt--;
    if (cnt == 0) raise(2);
  }
  return 0;
}

运行结果（然后我们运行起来可以发现， 5秒之后，确实给我们发送了一个2号信号。

abort

接口

这一个调用是引起一个正常的进程进行终止。

应用

运行结果：

我们运行这个程序，就会发现，这个进程5秒之后， abort了。这个abort其实就是6号信号，所以我们这里可以直接捕捉他。

但是问题是，我们捕捉了，但是也退出了！！注意，这个退出不是信号的问题，这个是abort的问题。 abort不仅仅捕捉了我们的6号信号，而且还做了一个工作——必须让我们这个进程终止。这个abort在底层其实也相当于是有一个kill（getpid(), 6)。但是还多做了一些工作，比如exit之类的。

异常

异常博主认为是最重要的信号的产生方式。因为我们在运行程序的时候，遇到的信号，基本都是由异常引起的。我们的野指针发送信号，我们的除零错误要发送信号。

我们平时运行程序，退出的方式无非就是三种——代码跑完，结果正确；代码跑完，结果不正确；代码没跑完，出现异常。

这里我们先写一段代码，看一下异常：

上面的运行结果就能看出发生了异常，直接报错。但是问题是，上面的报错是31个信号的哪一种呢？ ——这里其实是八号信号，如下图：

我们可以使用自定义捕捉这个异常：

然后运行，就能看到下图的情况：

这里我们会发现，虽然我们知道了这个错误是八号信号。但是问题是他怎么一直在死循环打印呢？我们知道，我们的捕捉函数里面，没有退出进程，只有一条语句，那么也就是说，我们的程序发生除零错误不会退出，进程一直再跑，所以OS一直发送信号，进程也就一直都在打印信号。

我们换成下面的代码：

void myhander(int signum)
{
  cout << "get a signum : " << signum << endl;
}

int mian()
{
  signal(SIGFPE, myhander);
  cout << "pointer error before " << endl;
  sleep(1);

  int* p = nullptr;
  *p = 100;

  sleep(1);
  cout << "pointer error after " << endl;
  return 0;
}

这个进程我们会发现，两秒之后也退出了！并且发生了段错误。段错误在信号中是11信号，SIGSEGV, 如何验证和上面的八号信号的验证方式是一样的。这里直接贴运行结果。同样会死循环打印语句，不发生退出。 ——因为11号信号被捕捉。

上面捕捉信号也是在处理异常信号。那么问题来了，处理异常信号，一定会退出吗？答案是不一定，一般情况下，如果是默认动作，异常会推出。但是如果是自定义动作，也就是信号被捕捉，这个时候异常不一定会推出。但是一旦异常推出，一定是执行了某个信号的处理方法。

但是我们虽然可以捕捉信号，不让它退出，只不过这个意义不大，因为我们的进程已经发生了错误了。那么我们大概率还是要让这个异常终止。

异常：为什么除零，或者野指针会给进程发送信号呢？

除零

我们上面说过， 进程接收到信号，一定是OS发出的， 一旦我们的计算机里面出现了除零错误或者野指针问题，操作系统又识别到了这些问题，那么操作系统就会给我们的进程发送信号。 收到信号后我们的进程对于信号的默认处理动作就是终止自己，所以它就直接崩溃了。但是这里的问题不是操作系统会检测到除零或者野指针，而是如何检测到除零或者野指针：

首先，我们知道cpu中有着许许多多的寄存器。其中， EIP、PC指针指向我们的进程的上下文。

其中，状态寄存器有标记位，是把寄存器按照比特位级别设计的。状态寄存器里面的位数各自代表什么含义是由芯片制造商定好的。

状态寄存器里面有一个标记位，叫做一处标记位。当我们除零的时候，结果就会非常大。 那么就溢出了。这个标记为就从0变成1了。

而且，要知道，我们cpu中的数据，其实都是进程的上下文。虽然我们修改的是cpu中的状态寄存器。但是进程只影响他自己。 ——什么意思？就是说，我们的进程是不断切换的，所以寄存器里面的数据也是不断切换的。当我们的进程切换的时候，会把我们自己的上下文带走，下一个进程将自己的上下文放上去。所以进程之间是不会有影响的。所以，不要认为cpu发生了异常，就说明操作系统出问题了。因为我们的用户的各种行为，都是被进程包裹的，硬件异常是代表这个进程出现了异常，并不会波及我们的操作系统。也就是说，引起出错的永远是进程， cpu出错，我们的系统照跑不误。

那么问题来了，我们的cpu这个时候发生溢出了，我们的操作系统要不要知道呢？为什么呢？ ——必须要知道！操作系统必须得知道！因为操作系统是硬件的管理者！！！cpu也是硬件！！操作系统在运行我们的进程的时候，会有类似检查或者中断的方法，得知我们的cpu出现溢出了，然后操作系统向进程发送信号，进程收到信号后，就崩溃了。 ——简而言之就是我们这个除零问题被转化为了硬件问题，表现在硬件上面，进而被操作系统识别到。被操作系统识别，操作系统就能对信息做处理。操作系统的处理并不影响整个系统的稳定性，影响的是当前进程， 因为cpu内的问题，是属于进程的问题。

野指针

上面的进程我们的进程在通过页表进行查表的时候，这个查表不是操作系统直接来查的，因为查表是很费时间的。 ——这个查表是由一个MMU，内存的管理单元来完成的。

在上面的图中，我们的cpu读到的都是虚拟地址。从虚拟地址到物理地址，需要经过MMU的转化，而野指针就是这个转化失败了——要么没有映射关系，要么越界了，越权了。转化失败， MMU报错，代表里面的硬件发生了报错，转化失败后的地址会放到另一个寄存器里面，这个报错，也能被cpu识别到。

那么，操作系统是怎么知道，我们的cpu是溢出了，还是野指针了呢？ ——因为对应的是cpu内不同类型的寄存器的报错！！！

那么既然报错后，操作系统会发送信号让进程崩溃，但是如果我们将信号捕捉，不让进程崩溃呢？ ——那么就意味着我们的进程在异常的时候也要一直被调度运行！！！所以为什么我们上面会看到死循环呢？就是因为我们的进程发生了问题，但是我们没有修正这个问题，硬件问题一直存在，随着我们的调度，那么我们的上下文的错误就一直存在。所以操作系统就一直检测到这个错误，它就会一直发信号，我们就能一直捕捉这个信号。！！！

对于异常的进程来讲，即便向后运行，结果可能也是错误的，所以进程发生异常，就应该是终止掉，所以大部分信号的默认动作都是终止掉进程。 ——但是为什么会有捕捉信号呢？ 因为捕捉信号，并不是用来解决问题，而是用来告诉用户，你是为什么挂掉的！！

那么，为什么操作系统这么温和？ 当硬件报错的时候，不直接将进程的pcb，页表，地址空间全部干掉呢？ ——这是因为进程里面有可能保存着许多的重要的数据，如果直接将这些东西干掉，这些数据会丢失，所以要设置信号，告诉上层哪里出错了，为什么出错了，然后让上层自己想办法解决。

软件条件

alarm

上面我们讲述的异常也可以成为软件异常。现在有另外一种，叫做软件条件。 ——这个软件条件叫做闹钟。

alarm是在我们的系统里面设置一个闹钟，一旦闹钟响了，那么就会给我们的进程传送一个信号。这个参数就是多少秒之后会给我们发送这个信号。下面是这个接口的返回值：

这个返回值是提前醒来，距离闹钟响之间剩余的时间。

下面我们写这么一串代码：

然后运行它

我们会发现，虽然闹钟到达事件后会发送信号，但是仅仅只是发送一次！这是因为这个闹钟不是异常，它只响一次。那么问题来了，当我们重复设置闹钟的时候，加入设定了一个5秒的闹钟，但是过了三秒又设置了一个闹钟，这个时候会发生什么情况呢？ ——答案是第一个闹钟剩余的时间会返回。

为了验证，我们可以使用下面这串代码进行测试。

按照上面的结论，我们猜测最终打印出来的是6：

我们的闹钟是如何确定时间的呢？ ——使用时间戳和参数，我们的进程，我们知道进程可以直接获取时间，我们的闹钟里面一定有一个时间戳的成员变量的。未来我们进程获取时间戳变量，填到闹钟里，闹钟再根据参数，两者一加，就是未来时间了！！！

那么知道了未来时间，我们操作系统里面又维护着当前时间，当这个时间 >= 未来时间的时候，就能知道闹钟到没到时间了。

那么我们未来系统中一定存在着大量的闹钟，我们如果想要确定哪个闹钟响过了，就把他去掉。可以使用什么数据结构呢？ ——堆

dump

我们在进程控制的时候，曾经说过wait的返回值status，这个返回值当中的前八个比特位是代表的退出码， 第0 ~ 7是代表的终止信号， 第8个比特位我们说过叫做core dump标志。

这个core dump是什么当时我们并没有说过，这里可以说了。我们看下面的图：里面有term，有core。还有其他的动作，但是其他的动作我们不考虑，我们只看core和term。这个dump比特位，就是代表的是core或者term。为零是term，为1是core。

现在我们来重新写一下代码，看一下我们的dump比特位：

现在我们来看一下：

对于2号信号：

对于8号信号：

两次都是dump0，但是我们的8是core， 2是term。这是为什么呢？是什么呢？怎么办？ ——这是因为云服务器上面的core默认是关闭的。

我们可以看一下ulimit -a, 这个是查看系统当中的标准的配置。

这里面有一个core file size的选项， -c就是用来查看。当前它是设为0的。我们可以使用 -c选项后边加一个数字，可以用来设置core。

这一次，我们再来使用8号信号。就能看到结果变了。

更重要的是，这里生成了一个core.4017, 也就是刚刚进程的PID——打开系统的core dump功能，一旦进程出现异常，我们的OS会将进程在内存中的运行信息，给我们dump（转储）到进程的当前目录（磁盘）形成core.pid文件——这个就叫做核心转储（core dump）

上面的core.pid有什么用？ ——我们的程序在运行时发生错误，我们最想要知道的是什么呢？ ——是不是定位错误的位置，也就是在哪一行出错了。我们可以使用core dump数据，来定位原始代码当中，在运行过程中哪方面出错了。

我们使用gdb调试左边的代码，然后进入core.pid文件里面，就能看到错误信息了。

core文件能够让我们复现问题之后，直接定位到出错行。就是先运行，再core-file。 ——这个叫做事后调试。而我们边跑边调叫做事中调试。

现在的问题是，为什么云服务器是要把它进行关闭的。我们知道core文件比较大。在当代服务器上面，如果一个服务器挂掉了，是要让运维重新起来的。可是大公司的后端服务器集群非常多。如果运维手动去起，那么太慢了。所以大公司要做很多很多自动化运维的手段，比如说我们的服务器挂掉了，那么我们要自动的检测服务器出问题了，第二点就是先将服务器启动起来，最后才是根据日志排查问题。

所以， 一旦服务器挂掉了， 在很多系统当中会自动重启。可是，问题是一般人一年才挂一次，半年挂一次，结果呢你写的服务只要跑起来就挂。虽然在大部分公司，这样的程序员根本不会有，但是可能会出现这样的问题。要知道，我们的计算机的速度是很快的，我们的计算器一晚上的重启，如果每一次重启都会生成一个core-pid文件， 那么就会导致本来是云服务器上面的一个服务挂掉了，结果后来变成了磁盘空间被core-pid文件打满了。 那么就可能连操作系统都挂掉了。 所以， core dump的功能在线上一般都要禁掉，保证我们的系统重启功能一直都要有效。不要让core dump冲击磁盘，影响服务。

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