Linux信号【产生-保存-处理】

目录

前言:

1、进程信号基本概念

1.1、什么是信号?

1.2、信号的作用

2、键盘键入

2.1、ctrl+c 终止前台进程

2.1.1、signal 注册执行动作

3、系统调用

3.1、kill 函数

3.2、模拟实现 myKill

3.3、raise 函数

3.4、abort 函数

4、软件条件信号产生(发送)的第三种方式:软件条件

4.1、alarm 设置闹钟

5、硬件异常

5.1、除 0 导致异常

5.2、状态寄存器

5.3、野指针导致异常

6.核心转储 

6.2、打开与关闭核心转储

6.3、核心转储的作用

 总结:



前言:

在 Linux 中,进程具有独立性,进程在运行后可能 “放飞自我”,这是不利于管理的,于是需要一种约定俗成的方式来控制进程的运行,这就是 进程信号,本文将会从什么是进程信号开篇,讲述各种进程信号的产生方式及作用

正文:

1、进程信号基本概念

1.1、什么是信号?

信号 是信息传递的承载方式,一种信号往往代表着一种执行动作,比如:

  • 鸡叫 => 天快亮了
  • 闹钟 => 起床、完成任务
  • 红绿灯 => 红灯停,绿灯行

当然这些都是生活中的 信号,当产生这些 信号 时,我们会立马想到对应的 动作 ,这是因为 我们认识并能处理这些信号

我们能进行处理是因为受过教育,学习了执行动作,但对进程来说,它可没有接受过九年义务教育,也不知道什么时候该干什么事

于是程序员们给操作系统植入了一批 指令,一个指令表示一种特殊动作,而这些指令就是 信号(进程信号)

kill -l

 

这些就是当前系统中的 进程信号,一共 62 个,其中 1~31 号信号为 普通信号(学习目标),用于 分时操作系统;剩下的 34~64 号信号为 实时信号,用于 实时操作系统

  • 分时操作系统:根据时间片实行公平调度,适用于个人电脑
  • 实时操作系统:高响应,适合任务较少、需要快速处理的平台,比如汽车车机、火箭发射控制台
1.2、信号的作用

早在 《Linux进程学习【进程状态】》 我们就已经使用过 信号 了,比如:

  • kill -9 pid 终止进程运行
  • kill -19 pid 暂停进程运行
  • kill -18 pid 恢复进程运行

就连常用的 ctrl+c 和 ctrl+d 热键本质上也是 信号

这么多信号,其对应功能是什么呢?

  • 可以通过 man 7 signal 进行查询
man 7 signal

 

 简单总结一下,1~31 号信号对应的功能如下(表格内容引用自 2021dragon Linux中的31个普通信号)

 

 注意: 其中的 9 号 和 19 号信号是非常特殊的,不能修改其默认动作

1.3、信号的基本认知
进程信号由 信号编号 + 执行动作 构成,一个信号对应一种动作,对于进程来说,动作无非就这几种:终止进程、暂停进程、恢复进程,3 个信号就够用了啊,为什么要搞这么多信号?

  • 创造信号的目的不只是控制进程,还要便于管理进程,进程的终止原因有很多种,如果一概而论的话,对于问题分析是非常不友好的,所以才会将信号细分化,搞出这么多信号,目的就是为了方便定位、分析、解决问题
  • 并且 普通信号 就 31 个,这就是意味着所有普通信号都可以存储在一个 int 中,表示是否收到该信号(信号的保存)

所以信号被细化了,不同的信号对应不同的执行动作,虽然大部分最终都是终止进程

进程的执行动作是可修改的,默认为系统预设的 默认动作

  1. 默认动作
  2. 忽略
  3. 自定义动作

所以我们可以 更改信号的执行动作(后面会专门讲信号处理相关内容)

信号有这么多个,并且多个进程可以同时产生多个信号,操作系统为了管理,先描述、再组织,在 PCB 中增加了 信号相关的数据结构:signal_struct,在这个结构体中,必然存在一个 位图结构 uint32_t signals 存储 1~31 号信号的有无信息

 

//信号结构体源码(部分)
struct signal_struct {atomic_t		sigcnt;atomic_t		live;int			nr_threads;wait_queue_head_t	wait_chldexit;	/* for wait4() *//* current thread group signal load-balancing target: */struct task_struct	*curr_target;/* shared signal handling: */struct sigpending	shared_pending;/* thread group exit support */int			group_exit_code;/* overloaded:* - notify group_exit_task when ->count is equal to notify_count* - everyone except group_exit_task is stopped during signal delivery*   of fatal signals, group_exit_task processes the signal.*/int			notify_count;struct task_struct	*group_exit_task;/* thread group stop support, overloads group_exit_code too */int			group_stop_count;unsigned int		flags; /* see SIGNAL_* flags below *//** PR_SET_CHILD_SUBREAPER marks a process, like a service* manager, to re-parent orphan (double-forking) child processes* to this process instead of 'init'. The service manager is* able to receive SIGCHLD signals and is able to investigate* the process until it calls wait(). All children of this* process will inherit a flag if they should look for a* child_subreaper process at exit.*/unsigned int		is_child_subreaper:1;unsigned int		has_child_subreaper:1;//……
};

1.信号是执行的动作的信息载体,程序员在设计进程的时候,早就已经设计了其对信号的识别能力
2.信号对于进程来说是异步的,随时可能产生,如果信号产生时,进程在处理优先级更高的事情,那么信号就不能被立即处理,此时进程需要保存信号,后续再处理
3.进程可以将 多个信号 或 还未处理 的信号存储在 signal_struct 这个结构体中,具体信号编号,存储在 uint32_t signals 这个位图结构中
4.所谓的 “发送” 信号,其实就是写入信号,修改进程中位图结构中对应的比特位,由 0 置为 1,表示该信号产生了
5.signal_struct 属于内核数据结构,只能由 操作系统 进行同一修改,无论信号是如何产生的,最终都需要借助 操作系统 进行发送
6.信号并不是立即处理的,它会在合适的时间段进行统一处理

 

本文讲解的就是 信号产生 部分相关知识,下面正式开始学习 信号产生 


2、键盘键入

信号产生(发送)的第一种方式:键盘键入

通俗来说就是命令行操作

2.1、ctrl+c 终止前台进程

系统卡死遇到过吧?程序死循环遇到过吧?这些都是比较常见的问题,当发生这些问题时,我们可以通过 键盘键入 ctrl + c 发出 2号信号终止前台进程的运行

 下面是一段死循环代码:

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{while(true){cout << "我是一个进程,我正在运行…… PID: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

运行程序后,会一直循环打印,此时如果想要终止进程,可以直接按 ctrl + c 发出 2 号信号,终止前台进程 

此时发出了一个 2 号信号 SIGINT 终止了该进程的运行

如何证明呢?如何证明按 ctrl + c 发出的是 2 号信号呢?

证明自有方法,前面说过,一个信号配有一个执行动作,并且执行动作是可以修改的,需要用到 signal 函数(属于 信号处理 部分的内容,这里需要提前用一下)

2.1.1、signal 注册执行动作

signal 函数可以用来 修改信号的执行动作,也叫注册自定义执行动作

signal 调用成功返回上一个执行方法的值(其实就是下标,后面介绍),失败则返回 SIG_ERR,并设置错误码

返回值可以不用关注,重点在于 signal 的参数

参数1 待操作信号的编号
参数2 待注册的新方法
参数1 就是信号编号,为 int,单纯地传递 信号名也是可以的,因为信号名其实就是信号编号的宏定义

 

参数2 是一个函数指针,意味着需要传递一个 参数为 int,返回值为空的函数对象 

  • 参数 int 是执行动作的信号编号
void handler(int)	//其中的函数名可以自定义

显然,signal 函数是一个 回调函数,当信号发出时,会去调用相应的函数,也就是执行相应的动作

我们先对 2 号信号注册新动作,在尝试按下 ctrl + c,看看它发出的究竟是不是 2 号信号

 

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "当前 " << signo << " 号信号正在尝试执行相应的动作" << endl;
}int main()
{//给 2 号信号注册新方法signal(2, handler);while(true){cout << "我是一个进程,我正在运行…… PID: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

 

当我们修改 2 号信号的执行动作后,再次按下 ctrl + c 尝试终止前台进程,结果失败了!执行动作变成了我们注册的新动作

这足以证明 ctrl + c 就是在给前台进程发出 2 号信号,ctrl + c 失效后,可以通过 ctrl + \ 终止进程,发出的是 3 号信号(3 号信号在发出后,会生成 核心转储 文件)

普通信号只有 31 个,如果把所有普通信号的执行动作都改了,会发生什么呢?难道会得到一个有着 金刚不坏 之身的进程吗?

 

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "当前 " << signo << " 号信号正在尝试执行相应的动作" << endl;
}int main()
{//给所有普通信号注册新方法for(int i = 1; i < 32; i++)signal(i, handler);while(true){cout << "我是一个进程,我正在运行…… PID: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

 

大部分信号的执行动作都被修改了,但 9 号信号没有,因为 9 号信号是 SIGKILL,专门用于杀死进程,只要是进程,他都能干掉

19 号信号 SIGSTOP 也无法修改执行动作,所以前面说过,9 号 SIGKILL 和 19 号 SIGSTOP 信号是很特殊的,经过特殊设计,不能修改其执行动作!

 

2.2、硬件中断
当我们从键盘按下 ctrl + c 时,发生了这些事:CPU 获取到键盘 “按下” 的信号,调用键盘相应的 “方法” ,从键盘中读取数据,读取数据后解析,然后发出 3 号信号

其中 CPU 捕获键盘 “按下” 信号的操作称为 硬件中断

CPU 中有很多的针脚,不同的硬件对应着不同的针脚,每一个针脚都有自己的编号,硬件与针脚一对一相连,并通过 中断控制器(比如 8259)进行控制,当我们按下键盘后

中断控制器首先给 CPU 发送信息,包括键盘对应的针脚号
然后 CPU 将获取到的针脚号(中断号)写入 寄存器 中
最后根据 寄存器 里的 中断号,去 中断向量表 中查表,找到对应硬件的方法,执行它的读取方法就行了
这样 CPU 就知道是 键盘 发出的信号,然后就会去调用 键盘 的执行方法,通过键盘的读取方法,读取到 ctrl + c 这个信息,转化后,就是 2 号信号,执行终止前台进程的动作

键盘被按下 和 键盘哪些位置被按下 是不一样的

首先键盘先按下,CPU 确定对应的读取方法
其次才是通过 读取方法 从键盘中读取数据
注:键盘读取方法如何进行读取,这是驱动的事,我们不用关心

硬件中断 的流程与 进程信号 的流程雷同,同样是 先检测到信号,然后再去执行相应的动作,不过此时发送的是 中断信号,执行的是 调用相应方法罢了

信号 与 动作 的设计方式很实用,操作系统只需要关注是否有信号发出,发出后去中断向量表中调用相应的方法即可,不用管硬件是什么样、如何变化,做到了 操作系统 与 硬件 间的解耦


3、系统调用

除了可以通过 键盘键入 发送信号外,还可以通过直接调用 系统接口 发送信号,毕竟 bash 也是一个进程,本质上就是在进行程序替换而已

3.1、kill 函数

信号的发送主要是通过 kill 函数进行发送

返回值:成功返回 0,失败返回 -1 并设置错误码

参数1:待操作进程的 PID

参数2:待发送的信号

下面来简单用一下(程序运行 5 秒后,自己把自己杀死)

 

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程,已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;if (n > 5)kill(getpid(), SIGKILL);}return 0;
}

kill 函数当然也可以发送其他信号,这里就不一一展示了,其实命令行中的 kill 命令就是对 kill 函数的封装,kill -信号编号 -PID 其中的参数2、3不正是 kill 函数所需要的参数吗?所以我们可以尝试自己搞一个 myKill 命令

3.2、模拟实现 myKill

这里就直接利用 命令行参数 简单实现了

#include <iostream>
#include <string>
#include <signal.h>using namespace std;void Usage(string proc)
{// 打印使用信息cout << "\tUsage: \n\t";cout << proc << " 信号编号 目标进程" << endl;exit(2);
}int main(int argc, char *argv[])
{// 参数个数要严格限制if (argc != 3){Usage(argv[0]);}//获取两个参数int signo = atoi(argv[1]);int pid = atoi(argv[2]);//执行信号发送kill(pid, signo);return 0;
}

下面随便跑一个进程,然后用自己写的 myKill 命令给进程发信号

我们可以把这个程序改造下,改成进程替换的方式,让后将自己写的命令进行安装,就能像 kill 一样直接使用了

3.3、raise 函数

发送信号的还有一个 raise 函数,这个函数比较奇怪,只能 自己给自己发信号

返回值:成功返回 0,失败返回 非0

就只有一个参数:待发送的信号

可以这样理解:raise 是对 kill 函数的封装,每次传递的都是自己的 PID

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程,已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;if (n > 5)raise(SIGKILL); //自己杀死自己    }return 0;
}

3.4、abort 函数

abort 是 C 语言提供的一个函数,它的作用是 给自己发送 6 号 SIGABRT 信号

没有返回值,也没有参数

值得一提的是,abort 函数即使在修改执行动作后,最后仍然会发送 6 号信号

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "收到了 " << signo << " 号信号,已执行新动作" << endl;
}int main()
{signal(6, handler);// signal(SIGABRT, handler);    //这种写法也是可以的int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程,已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;if (n > 5)abort();}return 0;
}

即使执行了我们新注册的方法,abort 最后仍然会发出 6 号信号终止进程

同样是终止进程,C语言 还提供了一个更好用的函数:exit(),所以 abort 用的比较少,了解即可

总的来说,系统调用中举例的这三个函数关系是:kill 包含 raise,raise 包含 abort,作用范围是在逐渐缩小的

4、软件条件信号产生(发送)的第三种方式:软件条件

 

其实这种方式我们之前就接触过了:管道读写时,如果读端关闭,那么操作系统会发送信号终止写端,这个就是 软件条件 引发的信号发送,发出的是 13 号 SIGPIPE 信号

4.1、alarm 设置闹钟


系统为我们提供了 闹钟(报警):alarm,这个 闹钟 可不是用来起床的,而是用来 定时 的

返回值:如果上一个闹钟还有剩余时间,则返回剩余时间,否则返回 0
参数:想要设定的时间,单位是秒

当时间到达闹钟中的预设时间时,闹钟会响,并且发送 14 号 SIGALRM 信号

比如这样:

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{alarm(5);   //设定一个五秒后的闹钟int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程,已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;}return 0;
}

 

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "收到了 " << signo << " 号信号,已执行新动作" << endl;int n = alarm(10);cout << "上一个闹钟剩余时间: " << n << endl;
}int main()
{signal(SIGALRM, handler);alarm(10);   //设定一个十秒后的闹钟while(true){cout << "我是一个进程,我正在运行…… PID: " << getpid() << endl;sleep(1);};return 0;
}

系统中不止一个闹钟,所以 OS 需要 先描述,再组织,将这些闹钟管理起来

可以借助闹钟,简单测试一下当前服务器的算力

 

5、硬件异常

最后一种产生(发送)信号的方式是:硬件异常

所谓 硬件异常 其实就是我们在写程序最常遇到的各种报错,比如 除 0、野指针

5.1、除 0 导致异常

先来看一段简单的错误代码

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int n = 10;n /= 0;return 0;
}

显然是会报错的是,毕竟 0 不能作为常数 

 

根据报错信息,可以推测出此时发送的是 8 号 SIGFPE 信号(浮点异常)

让我们通过 signal 更改 8 号信号的执行动作,尝试逆天改命,让 除 0 合法?

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "虽然除 0 了,但我不终止进程" << endl;
}int main()
{signal(SIGFPE, handler);int n = 10;n /= 0;return 0;
}

结果:一直在死循环似的发送信号,明明只发生了一次 除 0 行为

想要明白背后的原理,需要先认识一下 状态寄存器

5.2、状态寄存器

在 CPU 中,存在很多 寄存器,其中大部分主要用来存储数据信息,用于运算,除此之外,还存在一种特殊的 寄存器 =》 状态寄存器,这个 寄存器 专门用来检测当前进程是否出现错误行为,如果有,就会把 状态寄存器(位图结构)中对应的比特位置 1,意味着出现了 异常

当操作系统检测到 状态寄存器 出现异常时,会根据其中的值,向出现异常的进程 轮询式 的发送信号,目的就是让进程退出

比如上面的 除 0 代码,发生异常后,CPU 将 状态寄存器 修改,变成 异常状态,操作系统检测到 异常 后会向进程发送 8 号信号,即使我们修改了 8 号信号的执行动作,但 因为状态寄存器仍然处于异常状态,所以操作系统才会不断发送 8 号信号,所以才会死循环式的打印

能让 状态寄存器 变为 异常 的都不是小问题,需要立即终止进程,然后寻找、解决问题

毕竟如果让 除 0 变为合法,那最终的结果是多少呢?所以操作系统才会不断发送信号,目的就是 终止进程的运行

5.3、野指针导致异常

除了 除 0 异常外,还有一个 臭名昭著 的异常:野指针问题

 

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int* ptr = nullptr;*ptr = 10;return 0;
}

 

Segmentation fault 段错误 这是每个 C/C++ 程序猿都会遇到的问题,因为太容易触发了,出现段错误问题时,操作系统会发送 11号 SIGSEGV 信号终止进程,可以通过修改执行动作验证,这里不再演示

那么 野指针 问题是如何引发的呢?

借用一下 共享内存 中的图~

野指针问题主要分为两类:

  1. 指向不该指向的空间
  2. 权限不匹配,比如只读的区域,偏要去写

共识:在执行 *ptr = 10 这句代码时,首先会进行 虚拟地址 -> 真实(物理)地址 之间的转换

指向不该指向的空间:这很好理解,就是页表没有将 这块虚拟地址空间 与 真实(物理)地址空间 建立映射关系,此时进行访问时 MMU 识别到异常,于是 MMU 直接报错,操作系统识别到 MMU 异常后,向对应的进程发出终止信号

权限不匹配:页表中除了保存映射关系外,还会保存该区域的权限情况,比如 是否命中 / RW 等权限,当发生操作与权限不匹配时,比如 nullptr 只允许读取,并不允许其他行为,此时解引用就会触发 MMU 异常,操作系统识别到后,同样会对对应的进程发出终止信号

页表中的属性

  • 是否命中
  • RW 权限
  • UK 权限(不必关心

 

注:MMU 是内存管理单元,主要负责 虚拟地址 与 物理地址 间的转换工作,同时还会识别各种异常行为

一旦引发硬件层面的问题,操作系统会直接发信号,立即终止进程

到目前为止,我们学习了很多信号,分别对应着不同的情况,其中有些信号还反映了异常信息,所以将信号进行细分,还是很有必要的

6.核心转储 

 对于某些信号来说,当终止进程后,需要进行 core dump,产生核心转储文件

 比如:3号 SIGQUIT4号 SIGILL5号 SIGTRAP6号 SIGABRT7号 SIGBUS8号 SIGFPE11号 SIGSEGV24号 SIGXCPU25号 SIGXFSZ31号 SIGSYS 都是可以产生核心转储文件的

不同信号的动作(Action

  • Trem -> 单纯终止进程
  • Core -> 先发生核心转储,生成核心转储文件(前提是此功能已打开),再终止进程

但在前面的学习中,我们用过 36811 号信号,都没有发现 核心转储 文件啊

难道是我们的环境有问题吗?

确实,当前环境确实有问题,因为它是 云服务器,而 云服务器 中默认是关闭核心转储功能的

6.2、打开与关闭核心转储

通过指令 ulimit -a 查看当前系统中的资源限制情况

ulimit -a

可以看到,当前系统中的核心转储文件大小为 0,即不生成核心转储文件

通过指令手动设置核心转储文件大小

ulimit -c 1024

 

现在可以生成核心转储文件了

就拿之前的 野指针 代码测试,因为它发送的是 11 号信号,会产生 core dump 文件

 

 核心转储文件是很大的,而有很多信号都会产生核心转储文件,所以云服务器一般默认是关闭的

云服务器上是可以部署服务的,一般程序发生错误后,会立即重启
如果打开了核心转储,一旦程序 不断挂掉、又不断重启,那么必然会产生大量的核心转储文件,当文件足够多时,磁盘被挤满,导致系统 IO 异常,最终会导致整个服务器挂掉的
还有一个重要问题是 core 文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全

关闭核心转储很简单,设置为 0 就好了

ulimit -c 0

6.3、核心转储的作用

如此大的核心转储文件有什么用呢?

答案是 调试

没错,核心转储文件可以调试,并且直接从出错的地方开始调试

这种调试方式叫做 事后调试

调试方法:

  1. gcc / g++ 编译时加上 -g 生成可调试文件
  2. 运行程序,生成 core-dump 文件
  3. gdb 程序 进入调试模式
  4. core-file core.file 利用核心转储文件,快速定位至出错的地方

 

之前在 进程创建、控制、等待 中,我们谈到了 当进程异常退出时(被信号终止),不再设置退出码,而是设置 core dump 位 及 终止信号

也就是说,父进程可以借此判断子进程是否产生了 核心转储 文件

 

 总结:

信号产生部分就到此,下一篇信号保存

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现象&#xff1a;午休时间电脑休眠了&#xff0c;醒来之后发现在密码输入界面&#xff0c;但鼠标键盘没反应。按重启键或电源机重新开机&#xff0c;结果开不了机。 原因&#xff1a;1、内存条脏了&#xff0c;导致内存条读取失败 2、休眠的时候硬盘休眠了&#xff0c;导致按…

基于java+springboot动物检疫信息管理系统设计和实现

基于java SSM springboot动物检疫信息管理系统设计和实现 博主介绍&#xff1a;多年java开发经验&#xff0c;专注Java开发、定制、远程、文档编写指导等,csdn特邀作者、专注于Java技术领域 作者主页 央顺技术团队 Java毕设项目精品实战案例《1000套》 欢迎点赞 收藏 ⭐留言 文…

fly-barrage 前端弹幕库(3):滚动弹幕的设计与实现

项目官网地址&#xff1a;https://fly-barrage.netlify.app/&#xff1b; &#x1f451;&#x1f40b;&#x1f389;如果感觉项目还不错的话&#xff0c;还请点下 star &#x1f31f;&#x1f31f;&#x1f31f;。 Gitee&#xff1a;https://gitee.com/fei_fei27/fly-barrage&a…

【QT+QGIS跨平台编译】之五十一:【QGIS_CORE跨平台编译】—【qgsexpressionparser.cpp生成】

文章目录 一、Bison二、生成来源三、构建过程一、Bison GNU Bison 是一个通用的解析器生成器,它可以将注释的无上下文语法转换为使用 LALR (1) 解析表的确定性 LR 或广义 LR (GLR) 解析器。Bison 还可以生成 IELR (1) 或规范 LR (1) 解析表。一旦您熟练使用 Bison,您可以使用…