Linux中的进程信号

在Linux系统中，信号是一种用于进程间通信和进程控制的机制，它允许系统内核和用户进程对其他进程进行通知、干预和控制。信号可以被用于各种用途，例如终止进程、暂停进程、捕捉异常以及处理用户自定义事件。

为了更好地理解进程信号，我们将从以下几个方面进行探讨：

信号的基本概念：什么是信号，信号的种类，以及信号的特性。
信号的发送与处理：如何向进程发送信号，进程如何捕捉和处理信号。
常用信号：例如 SIGINT、SIGTERM、SIGKILL、SIGHUP 等的用途和区别。
信号的实际应用：在实际编程中如何利用信号进行进程控制和通信。

信号的基本概念

信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。

使用kill -l命令可以查看系统定义的信号列表：每个命令前的编号就是它们的宏定义，比如二号信号，其宏定义就是：define SIGINT 2，可以使用SIGINT进行替换；如果需要知道信号的详细信息，可以在man手册加上-7选项，可以显示信号的详细信息；

信号的产生

信号的产生有多种方式，下面分别介绍：

通过终端按键产生信号

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。

验证之前，先把一些名词解释一些： Core Dump

当一个进程要异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core，这叫做Core Dump。

进程异常终止通常是因为有 Bug，比如非法内存访问导致段错误，事后可以用调试器检查 core 文件以查清错误原因，这叫做Post-mortem Debug（事后调试）。而一个进程允许产生多大的 core 文件，取决于进程的Resource Limit(这个信息保存在PCB中)，可以通过ulimit -a命令查看相应的用户限制，比如：默认是不允许产生 core 文件的,因为 core 文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生 core 文件。首先用ulimit命令改变 Shell 进程的Resource Limit,允许core文件最大为1024K:

ulimit -c 1024

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下面开始验证：

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump

注意这里的SIGINT对应键盘ctrl + c，SIGQUIT对应ctrl + \ 实验代码如下：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
int main(){
    while(1){
	// 死循环，用于测试是否产生 core dump
        std::cout << "pid : " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

实验结论：当采用ctrl + c（即SIGINT）结束时，不会产生对应的core文件，而使用ctrl + \（对应SIGQUIT）时，则会产生对应core文件，由此便验证了上述结论；而该core文件可用于 _gdb_调试选项，可用于快速确定错误原因和错误位置；

通过系统函数调用向进程发送信号

kill 函数

kill 函数的使用：

kill [-信号] [进程id]

可用 kill 函数执行相应的系统调用，以此向进程发送信号；

通过在另一个终端调用系统调用kill函数，杀死了相应进程；<br>

raise 函数

int raise(int sig);

向当前所在进程发送信号，就相当于kill -sig getpid()，即作用对象始终为当前进程；<br>

abort 函数

直接终止当前进程，没有id和信号选项；

由软件信号产生信号

之前介绍过管道，其中当管道的读取端关闭后，若继续向写入端写入数据，操作系统会终止该行为，其中发送的终止信号即为SIGPIPE，这是一种软件信号；

alarm 函数和 SIGALRM 信号

下面将再介绍另一种函数及其对应的软件信号：alarm函数和SIGALRM信号；

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int secends);
// 该函数用于设定一个闹钟，告诉内核在`seconds`秒后给当前进程发`SIGALRM`信号
// 该信号的默认处理动作是终止当前进程

该函数的返回值是0或者以前设定的闹钟时间还余下的秒数；如果seconds值为0，表示取消以前设定的闹钟，函数的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数，下面写一个程序验证一下：

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

void alarm_handler(int sig) {
    printf("Alarm triggered!\n");
}

int main() {
    // 注册 SIGALRM 信号处理函数
    signal(SIGALRM, alarm_handler);

    // 第一次设置闹钟为5秒
    unsigned int remaining = alarm(5);
    printf("First alarm set to 5 seconds, returned: %u seconds\n", remaining);

    // 第二次设置闹钟为2秒，验证返回之前闹钟还剩余的时间
    sleep(2);
    remaining = alarm(2);
    printf("Second alarm set to 2 seconds, returned: %u seconds\n", remaining);

    // 取消闹钟，验证返回之前还剩余的时间
    sleep(1);
    remaining = alarm(0);
    printf("Alarm canceled, returned: %u seconds\n", remaining);

    // 睡眠3秒，等待看是否会有闹钟触发
    sleep(3);

    return 0;
}

硬件异常产生信号

硬件异常被硬件以某种方式检测到并通知内核，然后内核向当前进程发送对应信号对进程作出处理；常见的硬件异常有除0异常，CPU的运算单元会产生异常，内核将该异常解释为SIGFPE（浮点异常）信号发送给进程；还有非法内存地址访问异常，MMU会产生异常，内核将该异常解释为SIGSEGV（段错误）信号发送给进程；常见硬件异常包括：

SIGFPE（浮点异常）：当程序执行了非法的算术操作（如除以0或浮点数异常）时，由硬件产生信号。
SIGSEGV（段错误）：当进程访问了非法内存地址时产生，比如访问超出分配的内存区域。这通常涉及到内存管理单元（MMU）的检测。
SIGILL（非法指令）：当CPU尝试执行非法或不支持的指令时产生，比如代码被破坏或执行了无效的机器指令。
SIGBUS（总线错误）：当进程尝试访问未对齐的数据或无法访问的物理地址时产生。

MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）是计算机硬件中负责虚拟内存管理和物理内存访问的一个硬件组件。它主要负责以下几个关键功能：

地址转换： MMU将CPU生成的虚拟地址转换为物理地址。当进程访问某个内存地址时，它实际上是访问一个虚拟地址，MMU负责将这个虚拟地址映射到真实的物理内存地址。

分页和分段： MMU支持分页或分段的内存管理模式。在分页系统中，内存被分成固定大小的页，而每一页都可以映射到不同的物理内存位置。分段系统中，内存分为逻辑段，MMU负责管理这些段的访问权限和边界。

内存保护： MMU允许对不同的内存区域设置访问权限（例如读、写、执行权限），从而防止进程访问未授权的内存区域。如果进程试图访问受保护的内存区域，MMU会产生一个异常（例如 SIGSEGV）。

页表管理： MMU使用页表来记录虚拟地址到物理地址的映射。页表通常由操作系统维护，但由MMU在硬件层面进行查找和使用。

信号的捕捉

signal函数：

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

这个函数之前的代码演示中已经出现，这里正式解释一下它的作用：该函数用于自定义对应信号的处理方法，下面进行实验演示：

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


void handler(int num){
    int cnt = 10;
    while(cnt--){
        std::cout << "倒数 " << cnt << " 秒: " << std::endl; 
        std::cout << "捕捉到了" << num << "号信号，正在处理..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    std::cout << "任务处理结束，即将退出..." << std::endl;
    sleep(1);
    exit(1);
}

int main(){
    signal(SIGINT, handler);
    while(1){
        std::cout << "正在执行任务..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

当进程运行时，向对应进程pid发送2号信号：

kill -2 [pid]

可以发现，调用signal函数可以重置2号信号的处理方式；但是注意，9号信号其设计初衷就是为了立即终止进程，所以无法对9号信号进行自定义操作，同时对于我们后面要学习的设置阻塞信号，9号信号依然不支持被用户自定义屏蔽或阻塞；下面再测试一下上述的硬件异常问题导致的信号传递：

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


void handler(int signo){
    int cnt = 10;
    while(cnt){
        std::cout << "段错误信号，信号编号为 " << signo << " ，已被捕捉，正在处理...  ";
        std::cout << "倒计时：" << cnt << std::endl;
        --cnt;
        sleep(1);
    }
    std::cout << "信号处理完毕，即将退出..." << std::endl;
    sleep(1);
    exit(1);
}

// 模拟野指针错误
int main(){
    signal(SIGSEGV, handler);
    std::cout << "段错误即将发生，请注意..." << std::endl;
    sleep(1);
    {
        int* p = nullptr;
        *p = 10;
    }
    return 0;
}

由此可以确认，当我们在C/C++中发生除零异常、内存越界访问等异常时，在系统层面上是被当作信号处理的；

总结

综上，我们便完成了从信号的发送、接收到处理的大致流程的认识，下一篇文章我会进一步介绍信号的储存、传送和处理相关的细节问题，还会涉及到上面提到的阻塞信号的概念；具体的代码集合可以到我的GitHub 主页查看下载，这一节的代码在signal/por_signal文件夹下。

标签：int,MMU,内存,信号,Linux,进程,include
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