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【Linux-进程信号】信号入门介绍

article 2024/11/14 12:32:40

信号入门

1.生活中的信号

你在网上买了很多件商品，在等待不同商品快递的到来。但即便快递没有到来，你也知道快递来临时，你该怎么处理快递，也就是你能 “识别快递”
当快递员到了你楼下，你也收到快递到来的通知，但是此时你正在打游戏，需 5min 之后才能去取快递。那么在在这 5min 之内，你并没有下去去取快递，但是你是知道有快递到来了。也就是取快递的行为并不是一定要立即执行，可以理解成 “在合适的时候去取”
在收到通知，再到你拿到快递期间，是有一个时间窗口的，在这段时间内，你并没有拿到快递，但是你知道有一个快递已经来了。本质上是你 “记住了有一个快递要去取”。
当你时间合适，顺利拿到快递之后，就要开始处理快递了。而处理快递一般方式有三种：1、执行默认动作（幸福的打开快递，使用商品）；2、执行自定义动作（快递是零食，你要送给你你的女朋友）；3. 忽略快递（快递拿上来之后，扔掉床头，继续开一把游戏）。
快递到来的整个过程对你来讲是异步的，你不能准确断定快递员什么时候给你打电话。

生活中存在大量的信号，如下课铃、红绿灯、发令枪、闹钟、外卖电话…、

a.我们是怎么认识这些信号的呢？有人教我们认识这些信号，并且告诉我们处理这些信号的方法；

b. 即使是我们现在没有信号产生，我也知道信号产生之后，我应该干什么；

c. 信号产生了，我们可能并不立即处理这个信号，在合适的时候，因为我们可能正在做更重要的事情。

那么同样，在Linux系统中的进程也需要具备如下能力：

进程必须能够识别+处理信号
进程即使没有收到信号，也要知道哪些信号该怎么处理
进程真的收到了一个具体的信号的时候，进程可能不会立即处理这个信号，而是在合适的时候；
在进程收到信号，到信号开始被处理，一定会存在一个窗口期，进程具有临时保存哪些信号已经发生了的能力

进程处理信号的方式有三种：1️⃣ 默认动作；2️⃣ 自定义动作；3️⃣ 忽略；

2.技术应用角度的信号

（1）用户输入命令，在 Shell 下启动一个前台进程。

用户按下 Ctrl+C，这个键盘输入产生一个硬件中断，被 OS 获取，解释成信号，发送给目标前台进程。前台进程因为收到信号，进而引起进程退出。

将生活例子和 Ctrl+C 信号处理过程相结合，解释一下信号处理过程：进程就是你，操作系统就是快递员，信号就是快递。

注意

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。
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。
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。

3.信号的基本概念

信号（Signal）是操作系统用来通知进程某些事件发生的机制，属于异步通信的一种方式。信号机制最初是在UNIX系统中引入的，并广泛用于现代类UNIX操作系统（如Linux）。当某个进程或系统事件触发信号时，信号会传递给目标进程，目标进程可以根据接收到的信号作出相应处理。信号常用于异常处理、进程控制、进程间通信等场景

信号的特点

1.异步性：信号的发送和接收是异步的。进程可以在任何时刻收到信号，不需要主动检查某种状态。

2.软中断：信号类似于软中断，系统或进程可以通过信号来通知其他进程某个事件的发生，进程可以对信号作出响应。

3.轻量级：与进程间通信（如管道、消息队列、共享内存）相比，信号是一种轻量级的通信机制。

信号的分类

1.标准信号：这是系统预定义的一组信号，通常表示特定的系统事件或异常情况；也就是1-31号信号

我们可以通过 kill -l 查看所有信号

其中每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在 signal.h 中找到，例如其中有定义 #define SIGINT 2

2.实时信号：除了标准信号外，Linux还支持实时信号（Real-time Signals）编号34以上的信号，用于更细粒度的进程通信和控制。实时信号具有更高的优先级，可以携带更多的信息，并且其顺序在内核中得到保证。

我们不讨论实时信号，这些信号各自在什么条件下产生，默认的处理动作是什么，在signal(7)中都有详细说明：man 7 signal

4.信号处理常见方式概览

sigaction 函数后面会详细介绍），可选的处理动作有以下四种:

默认处理（SIG_DFL）：操作系统对每个信号都有默认处理方式。例如接收到SIGKILL时，进程会立即终止。
自定义处理：进程可以通过设置信号处理函数，改变系统默认的处理方式。例如接收到SIGINT时，程序可以捕获信号并进行清理操作后再退出。
忽略信号（SIG_IGN）：
- 可以将信号设置为忽略，这样当信号到达时，进程不会采取任何操作。
- 例如，将SIGINT（中断）设置为忽略可以阻止Ctrl + C中断程序。
阻塞信号：进程可以选择阻塞某些信号，阻塞期间不会处理这些信号，直到解除阻塞。

5.信号的发送与保存

信号的发送（Signal Delivery）

产生信号：信号可以由多种方式产生，包括用户输入（如ctrl + c）、系统事件（如硬件故障）或程序内部（如程序运行出错）。
发送信号：信号发送者（通常是另一个进程或内核）将信号发送给信号接收者（目标进程）。
信号处理：目标进程接收到信号后，可以执行信号处理程序。这通常是通过调用信号处理函数（signal handler）来实现的。
信号阻塞：在信号发送和处理过程中，进程可能会阻塞某些信号，这可以防止信号在特定时刻被处理。

信号的保存（Signal Preservation）

信号掩码：信号掩码是一个位掩码，用于控制信号的阻塞。它包含了一个或多个信号的掩码位，当这些位被设置时，对应的信号将被阻塞。
信号处理程序：信号处理程序是在信号发送时调用的函数，用于处理信号。在信号发送之前，当前信号处理程序的状态会被保存，以便信号处理程序执行完毕后能够恢复。
信号集：信号集是一个结构，用于保存当前阻塞的信号集合。当信号发送时，如果信号在信号集中，则信号将被阻塞，直到信号集被更新。
信号屏蔽字：信号屏蔽字是一个整数，用于保存当前阻塞的信号集合。当信号发送时，如果信号在屏蔽字中，则信号将被阻塞。
信号状态：信号状态包括信号掩码、信号集和信号屏蔽字。这些状态在信号发送和处理过程中被保存和恢复。

1-31信号的作用

有少部分编号不一定与man 7 signal 顺序一致，因为系统版本问题，我们知道每个信号有什么用题即可，信号编号可查

信号编号	信号名称	用途
1	SIGHUP	表示终端挂断（hang-up）事件。当终端会话结束时发送给进程。
2	SIGINT	表示中断信号（interrupt）。通常由键盘中断键（如`Ctrl + C`）发送。
3	SIGQUIT	表示退出信号（quit）。通常由键盘退出键（如`Ctrl + \`）发送。
4	SIGILL	表示非法指令信号（illegal instruction）。当进程尝试执行非法指令时发送。
5	SIGTRAP	表示跟踪信号（trap）。当进程请求调试跟踪时发送。
6	SIGABRT	表示进程终止信号（abort）。通常由`abort()`函数发送。
7	SIGEMT	表示设备不可用信号（emulate）。通常由`simulate()`函数发送。
8	SIGFPE	表示浮点异常信号（floating-point exception）。当发生浮点异常时发送。
9	SIGKILL	表示终止信号（kill）。发送此信号将直接终止进程，没有机会进行清理。
10	SIGBUS	表示总线错误信号（bus error）。当总线错误发生时发送。
11	SIGSEGV	表示段错误信号（segmentation fault）。当进程尝试访问非法内存区域时发送。
12	SIGSYS	表示系统调用失败信号（bad argument to system call）。当系统调用参数错误时发送。
13	SIGPIPE	表示管道破裂信号（broken pipe）。当进程写入到已关闭的管道时发送。
14	SIGALRM	表示定时器信号（alarm clock）。当定时器到期时发送。
15	SIGTERM	表示终止信号（terminate）。通常用于优雅地终止进程。
16	SIGURG	表示紧急信号（urgent condition on socket）。当套接字上有紧急数据时发送。
17	SIGSTOP	表示停止信号（stop）。发送此信号将停止进程的执行。
18	SIGTSTP	表示停止信号（stop typed at terminal）。当用户在终端上键入停止字符时发送。
19	SIGCONT	表示继续信号（continue）。发送此信号将恢复停止的进程的执行。
20	SIGCHLD	表示子进程终止信号（child status has changed）。当子进程终止时发送。
21	SIGTTIN	表示后台输入信号（stop typed at terminal）。当后台进程尝试从终端读取时发送。
22	SIGTTOU	表示后台输出信号（stop typed at terminal）。当后台进程尝试向终端写入时发送。
23	SIGIO	表示输入输出请求信号（I/O request）。当I/O请求到达时发送。
24	SIGXCPU	表示超出CPU时间限制信号（CPU time limit exceeded）。当进程超出CPU时间限制时发送。
25	SIGXFSZ	表示超出文件大小限制信号（file size limit exceeded）。当进程试图创建或写入超过文件大小限制的文件时发送。
26	SIGVTALRM	表示虚拟定时器信号（virtual timer alarm）。当虚拟定时器到期时发送。
27	SIGPROF	表示性能定时器信号（profiling timer alarm）。当性能定时器到期时发送。
28	SIGWINCH	表示窗口大小改变信号（window size change）。当终端窗口大小改变时发送。
29	SIGINFO	表示状态信息信号（status request）。当进程请求状态信息时发送。
30	SIGUSR1	用户定义信号1（User-defined signal 1）。由程序员定义用途
31	SIGUSR2	用户定义信号2（User-defined signal 2）。由程序员定义用途。