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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
- 默认动作
- 忽略
- 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:
- 指向不该指向的空间
- 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 SIGQUIT
、4号 SIGILL
、5号 SIGTRAP
、6号 SIGABRT
、7号 SIGBUS
、8号 SIGFPE
、11号 SIGSEGV
、24号 SIGXCPU
、25号 SIGXFSZ
、31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 3
、6
、8
、11
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:
gcc / g++
编译时加上-g
生成可调试文件- 运行程序,生成
core-dump
文件 gdb 程序
进入调试模式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