【Linux】———

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本篇博客专栏：Linux

创作时间：2024年11月12日

信号和信号量

首先说明这两者之间没有任何关系

信号：信号是在软件层次对中断机制的一种模拟，是一种异步通知机制，用于通知进程发生了某个特定的事件，例如当用按下Ctrl+c时，会产生一个SIGINT信号发送给当前正在运行的进程，通知他用户想要进行中断操作。信号既可以由操作系统内核发送给进程，也可以由进程发送给进程(需要一定的权限)

信号量：信号量是一种用于进程同步和互斥的机制，用于协调多个进程或者线程对共享资源的访问。它本质上就是一个计数器，用于控制同时访问共享资源的进程或线程的数量。信号量表示当前可用资源的数量。

信号

我们可以通过kill -l来查看所有的信号。

这些信号中，1-31为普通信号，34及以上为实时信号，这些信号都在什么条件下产生，默认的处理动作是什么，这些都在signal(7)中有着详细的说明man 7 signal

基本结论：信号就是Linux系统提供给用户用于向指定进程发送特定事件的方式

信号的产生和进程是异步的，即进程也不知道自己什么时候会接收到信号

信号是可以随时产生的，如果进程坐着别的事，也可以先不处理信号，等待合适的时机再处理信号

信号的处理

信号处理有三种情况：

默认动作
忽略动作
自定义处理——信号的捕捉

信号捕捉

signal

运行上面代码，在另一个终端上输入kill -2 指令，数字也可换成对应的宏名称。发现输出了hander函数的内容。

signal是用来进行信号捕捉的。参数1是信号的编号，参数2是函数指针。如果进程收到参数1对应的信号，就会执行参数2对应的方法。

我们也可以同时对多个信号进行捕捉：

信号的产生

信号产生的方式：

通过kill命令，向指定进程发送命令
键盘可以产生信号，Ctrl+c(SIGINT),Ctrl+\(SIGQUIT)
系统调用
软件条件
异常

系统调用

kill

参数1是指定进程，参数2是指定信号，作用是向指定进程发送指定信号

通过运行下面这个代码，得到这个进程的pid，然后通过我们自己写的Mykill来执行对应的信号，实现对应的操作

raise

raise作用就是谁调用这个函数，他就给调用者发送对应的信号

kill是给任意进程发送任意信号，如果想给自己发送信号，相当于killI(getpid(),signal);

这个就是我们通过raise不断给自己发送3号信号，然后signal捕捉执行

abort

执行上述代码之后，一秒之后我们的进程就结束了，这是为什么呢？

其实abort就相当于我们的6号信号，6号信号(SIGABRT)就是终止我们的进程，即使我们自定义捕捉了这个信号，也会执行一次自定义的函数之后结束，所以这个是比较特殊的一个

所以这里我们就可以回答一个问题，那就是如果我们自定义捕捉了所有的信号，那是不是就无法终止进程了

上面这个就是例外了，同样9号信号也无法自定义捕捉

由软件产生信号

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号。下面介绍alarm函数和SIGALRM信号。

alarm

调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。

如果我们稍微改一下代码，像这样

我们就可以发现这个值大多了，这是因为IO很慢

硬件异常产生信号

运行这段代码会直接崩溃，因为这里涉及到了除零操作，这是不允许的，还有就是野指针也会出现出错，除以0会发送8号信号(SIGFPE)，野指针会发送11号信号(SIGSEGV)

此时我们如果将8号或者11号信号捕捉，就会死循环打印对应的东西

Core、Term

Core、Term都是终止进程的意思，那他们有啥区别呢？

Term:异常终止

Core:异常终止，但是它会帮我们形成一个类似debug文件。

默认下这个功能是关闭的，我们可以这样打开

指令 ulimit -a 可以查看系统中对于普通用户能使用资源对应的限制。下面可以看到core file size 大小是0，所以云服务器默认不允许我们形成core文件。

通过ulimit -c 数字 指令，这样core file选项就打开了。此时再运行程序，就有core文件了。

通过ulimit -c 数字 指令，这样core file选项就打开了。此时再运行程序，就有core文件了

Core文件就是进程退出时候的镜像数据，这个功能叫核心转储。

核心转储其实是进程异常时，核心数据转而存储到磁盘上。

所以上面图中，core dump标志位为0时表示没有核心转储，为1表示有核心转储。

如果进程是Term就没有核心转储。如果是Core并且打开了核心转储功能，就有核心转储。

我们把Makefile文件里g++带上-g选项，允许被调试。

当程序里面有除0错误时，并且有了core文件。我们gdb进行调试。输入 core-file core 给gdb加载core文件，我们就可以直接定位到程序出错的地方。

所以core是协助我们进行debug的文件，这种操作也叫事后调试

阻塞信号

信号相关其他常见概念

实际执行信号的处理动作叫做信号递达 (Delivery)
信号从产生到递达之间的状态叫做信号未决，即Pending状态
进程可以选择阻塞(Block)某个信号，阻塞和有没有未决没有关系
被阻塞的信号产生时将处于未决状态，知道进程接触对此信号的阻塞，才进行递达动作
注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略实在递达之后可以选择的一种处理动作

在内核中表示

每个进程pcb中会维护三张表。

pending表就是未决表，他有32个比特位，使用其中31位，假设最左边的一位不用，从右往左数，第几个比特位就代表着第几个信号，为1就是处于未决状态，为0则不处于

handler表就代表着函数指针数组。handler表里面写的就是该表如何被处理，信号的标号就是数组的下标，因此我们之前的handler函数调用，如signal(2,handler)，其实就是用2号编号在handler数组里面索引，把自己写的handler函数地址传进表里，这里系统就知道你要如何处理信号了，处理对应的信号时就通过地址找到对应的函数执行即可。

block表也是一张位图，和pending表类型一样，也只使用其中31位。

这三张表要横着，对应着编号看。

因此，两张位图+一张函数指针数组就可以让进程识别信号。

sigset_t

每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。

sigset_t就是Linux给用户提供的一个用户级的数据类型，禁止用户直接修改位图。

信号集操作函数

sigset_t类型内部如何存储这些bit依赖于系统实现,从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量

int sigemptyset(sigset_t *set); 把位图全部清空
int sigfillset(sigset_t *set); 把整个位图全部置1
int sigaddset (sigset_t *set, int signo); 把特定信号设置进该集合里。比如信号是5，就是把第五个bit位置1。
int sigdelset(sigset_t *set, int signo); 把特定位置置0，如果是1就置0，如果是0就不动
int sigismember（const sigset_t *set, int signo); 判断一个信号是否在集合当中

sigprocmask

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

返回值:若成功则为0,若出错则为-1

set是输入型参数，oldset是输出型参数。

如果oldset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oldset参数传出。如果set是非空指针,则更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。如果oldset和set都是非空指针,则先将原来的信号屏蔽字备份到oldset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值。

sigpending

sigpending的作用是获取当前进程的pending位图，它的参数是输出型参数。

调用成功则返回0,出错则返回-1。

捕捉信号

如果一个信号不做任何处理，它默认就是SIG_DFL选项。

SIG_IGN选项就是忽略一个信号。

内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行 main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号 SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是两个独立的控制流程。 sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

信号捕捉的过程：要经历4次状态的切换。

在内核态切换回用户态的时候，进行信号的检测和处理。

再谈地址空间

开机时，操作系统是最先加载的软件，所以OS也要在内存中。内核级页表是将内核地址空间和OS之间进行映射的。因此OS本身就在我的进程地址空间中。

如果有多个进程，不会再创建一个新的内核级页表，而是共用一张。

sigaction

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。signum 是指定信号的编号。act是输入型参数，是结构体类型，结构如上图，这里只了解结构体里的第一行，即函数指针。所以act传的是函数指针。oldact是输出型参数，用来保存旧的结构体。

sigaction本质就是修改信号的handler表。

sigaction跟前面的signal本质作用是一样的，都是对特定信号进行捕捉。

volatile

运行上面代码，按下ctrl+c后，信号被捕捉，gflag就被修改了，while循环条件为假，程序就结束了。

Linux系统中g++是有各种优化级别的。

默认优化级别是-O0，即没有优化。

可以通过gcc main.cc -01对gcc进行优化

优化后，发现按ctrl+c 程序不会结束。因为main执行流判定代码里没有对gflag进行修改，觉得不用每次都从内存拿数据，直接在第一次拿的时候，把gflag的值优化到寄存器里，从此之后，每次while检测只检测寄存器里的值。当收到信号后修改gflag的值，修改的是内存里的gflag，就导致寄存器隐藏了内存中的真实值。这是编译器过度优化导致的问题。

为了保持内存的可见性，就有了volatile关键字。

有了volatile修饰，就没有被优化的问题了。

volatile的作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作

SIGCHLD信号

子进程在终止时会给父进程发SIGCHLD信号,该信号的默认处理动作是忽略,父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数,这样父进程只需专心处理自己的工作,不必关心子进程了,子进程终止时会通知父进程,父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。

如果有多个子进程同时退出，此时会同一时间向父进程发送多个SIGCHLD信号。普通信号是用pending位图接收信号的，收到了多个SIGCHLD信号，但pending位图只会记录一次，导致最后只会回收一个子进程。所以waitpid等待时，外面需要套一层while循环，不断回收。

如果有的子进程退出，有的永远不退出，此时就要用非阻塞等待。否则就会阻塞在信号捕捉里，父进程永远做不了别的事情。

wait和waitpid函数清理僵尸进程,父进程可以阻塞等待子进程结束,也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理(也就是轮询的方式)。采用第一种方式,父进程阻塞了就不能处理自己的工作了;采用第二种方式,父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下,程序实现复杂。

要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调用signal将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。

系统默认的忽略动作和用户用signal函数自定义的忽略通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证在其它UNIX系统上都可用。

如果不关心子进程的退出信息，不想产生僵尸进程，就可以用这样做。