Linux信号入门

目录

一、生活中的信号：你的快递到了！

二、技术视角：Ctrl-C背后的魔法

三、深入信号世界

1. 信号身份证

2. 信号记录原理

3. 信号三处理法

一、生活中的信号：你的快递到了！

        想象你在网上疯狂购物后，等待不同快递送货的场景。这个过程中蕴含着与计算机信号处理惊人相似的逻辑：

1. 识别快递：尽管快递尚未抵达，但你清楚地知道，当快递到达时，你需要采取相应的行动，这便是你能够“识别快递”。（就像进程知道如何处理信号）

2. 延迟处理：当快递员将快递送到楼下并通知你时，你正在忙于游戏，需要5分钟后才能去取快递。在这5分钟内，你虽未立即取快递，但已知晓有快递到来，这就是“延迟处理”。（信号可被暂存不立即处理）

3. 记忆机制：从收到通知到拿到快递这段时间，你记住了有快递要取，这便是信号的“记忆机制”。（信号被操作系统记录）

4. 处理方式：当你时间合适，顺利拿到快递后，便要开始处理快递，处理方式通常有三种：

   • ✅ 默认操作：开心地打开快递使用商品（默认处理）

   • 🎁 自定义操作：将零食快递送给女朋友（自定义处理）

   • 🗑️ 忽略操作：将快递扔在床头继续游戏（忽略信号）

整个快递到来的过程对你而言是异步的，你无法准确预知快递员何时会打电话。

二、技术视角：Ctrl-C背后的魔法

        在技术领域，信号是进程间事件异步通知的一种方式，属于软中断。观察下面这个典型的无限循环程序：

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

int main()
{
    while(1){
        printf("hello signal!\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

        当程序运行时，该程序会陷入死循环，不断打印"hello signal!"。要终止这种死循环，通常使用Ctrl+C。当用户按下Ctrl+C时，键盘输入会产生一个硬中断，操作系统获取并将其解释为信号（Ctrl+C对应2号信号），随后将2号信号发送给目标前台进程，前台进程收到2号信号后便会退出。

        为了证明进程收到Ctrl+C时确实收到了2号信号，可以使用signal()函数进行信号捕捉实验。这个系统调用的原型为：

void (*signal(int sig, void (*handler)(int)))(int);

• 参数1：指定要捕捉的信号编号（如2号信号）

• 参数2：定义处理函数（参数为信号值，无返回值）

• 返回值：原信号处理函数指针

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

void handler(int sig)
{
    // 注意：此处仅演示信号捕捉，实际应避免在信号处理函数中使用printf等非异步安全函数
    printf("捕获到%d号信号!\n", sig);
}

int main()
{
    signal(SIGINT, handler);//注册2号信号处理

    while(1)
    {
        printf("hello signal!\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

        运行改造后的程序时，每次按下Ctrl+C，不会再直接终止进程，而会立即执行handler函数，输出"捕获到2号信号！"，然后程序继续执行循环。

🍇下面我们将生活例子和 Ctrl-C 信号处理过程相结合，来解释一下信号处理过程：

生活例子引入：

        假设你是一个忙碌的进程，正在执行一项任务，比如写作业。操作系统是快递员，负责给你传递各种消息。信号就像是快递员送来的不同类型的快递。当快递员（操作系统）给你送来一个快递（信号）时，你需要决定如何处理它：是立即停下手中的活去处理快递，还是稍后再处理，或者直接拒收。

信号处理过程：

1. 信号产生：当用户按下 Ctrl-C 键时，终端会生成一个中断信号（SIGINT），这个信号会被发送给当前正在运行的进程。

2. 信号传递：操作系统（内核）捕捉到这个信号后，会暂停进程的当前执行，并将信号传递给该进程。

3. 信号处理：

   • 默认处理：如果进程没有对 SIGINT 信号进行特殊处理，操作系统会执行默认动作，通常是终止进程。

   • 自定义处理：如果进程安装了信号处理函数（比如通过 signal 或 sigaction 函数），操作系统会将控制权转交给该处理函数，执行用户自定义的代码来处理信号。

4. 恢复执行：信号处理完成后，操作系统会恢复进程的执行，继续执行被中断的代码。

与生活例子的结合：

• 快递（信号）的产生：就像有人给你下单寄了一个快递，快递员（操作系统）会收到这个任务。

• 快递（信号）的传递：快递员会把快递送到你的手中，这相当于操作系统将信号传递给进程。

• 处理快递（信号）：

  • 如果你没有特别说明如何处理快递（没有安装信号处理函数），快递员可能会直接把快递放在门口（默认处理），比如当你收到一个“停止”信号时，你停止当前活动。

  • 如果你提前告诉快递员如何处理快递（安装了信号处理函数），比如“请把快递放在桌子上”，快递员会按照你的要求去做，这相当于进程执行自定义的信号处理函数。

• 恢复活动（恢复执行）：处理完快递后，你可以继续做之前的事情，就像进程在处理完信号后继续执行后续的代码。

🌴注意事项：

1. 信号发送对象 ：按下 Ctrl-C 产生的信号仅会发送给前台进程。若在命令后添加 “&” 符号，可将命令对应的进程置于后台运行，此时 Shell 无需等待该后台进程完成，便可继续接收新的命令并启动其他进程。

2. Shell 进程管理 ：Shell 能够同时管理一个前台进程以及数量不限的后台进程，但唯有前台进程能够接收像 Ctrl-C 这类由控制键产生的信号。

3. 信号接收特性 ：前台进程在执行期间，用户可在任意时刻按下 Ctrl-C 产生信号，这意味着该进程的用户空间代码在执行的任何位置都有可能收到 SIGINT 信号进而被终止，所以信号对于进程的控制流程而言是异步的。

信号概念：信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

三、深入信号世界

1. 信号身份证

kill -l //查看所有信号

        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，其中1~31号信号是普通信号，34~64号信号是实时信号。

2. 信号记录原理

        当一个进程接收到某种信号后，该信号会被记录在该进程的进程控制块中。进程控制块本质上是一个结构体变量，对于信号而言，主要记录某种信号是否产生，可以用一个32位的位图来记录信号是否产生，比特位的位置代表信号编号，内容代表是否收到对应信号。

// 简化的PCB结构
struct task_struct {
    // ...
    unsigned long signal; // 32位位图
    // ...
};

示例位图：

3. 信号三处理法

        信号处理有三种可选动作：忽略此信号；执行信号的默认处理动作；提供一个信号处理函数，要求内核在处理信号时切换到用户态执行这个处理函数，即捕捉信号。

在Linux中，可通过man手册查看各个信号默认的处理动作，命令为 man 7 signal。