一.前置知识

1.前台进程和后台进程

a.概念理解

前台进程：Linux系统中，前台只能运行一个进程，并且在进程运行期间，命令行失效，此时，如果我们想控制该进程，就只能通过信号！！

后台进程：可以同时运行多个进程，进程在运行期间，命令行仍起作用，但我们无法以键盘组合键的方式向后台进程发送控制指令。

由于后台进程可能同时运行多个，所以，每个后台运行的进程都会有自己的编号 [x]

b.相关指令

当我们向运行某个可执行程序时，如：./test 即让 test 可执行程序在前台运行。如果我们在其后加上 & 如: ./test & 则表示使 test 可执行程序在后台运行。

jobs —— 查看系统后台进程情况

fg + [x] —— 可以将编号为x的进程切换到前台

Ctrl + z —— 暂停前台进程，同时将该进程转到后台去

bg+ [x] —— 将后台被暂停的编号为x的进程启动

2.信号的前置知识

a.Linux 系统下信号的概念

什么是信号？简单来说，操作系统向目标进程发送的控制指令就是信号。

进程和信号的关系

①进程必须要有能力“识别”并“处理”信号，即使进程还未收到这一信号。

②进程收到某一信号时，可能不会立即对这一信号做出处理动作，也就是说，进程在收到信号和处理信号间有一个“空窗期”，这就要求进程具备对信号的临时存储能力。

kill -l  查看Linux系统中的各个信号，如下图：

man 7 signal —— 用于查看信号相关信息的命令。该命令会展示关于信号机制的详细解释，包括信号的含义、产生原因、默认行为、处理方式。

b.进程对信号的处理方式

进程对信号的处理方式一共有三种：①默认动作；  ②忽略；  ③*自定义动作（信号捕捉）。

什么是默认处理动作？--- 就是进程处理某一信号时， 该信号的功能是系统默认赋予的。例如：9号信号的功能是终止某一进程，当进程收到9号信号时，执行的功能就是将自己终结。

忽略行为该如何理解？--- 进程收到信号，但却不执行信号的功能，就是忽略。

*自定义动作指的是什么？--- 用户捕捉某个或某些信号，并对它们的功能进行修改，当进程收到这些信号时，会执行用户重新为信号赋予的功能，这就是自定义动作。

3.信号的底层机制

情景：当前台进程正在运行时，我们输入的 Ctrl + C 是如何终止进程的？或者说，我们输入 Ctrl + C后，OS底层都做了哪些事？

首先，OS如何知道外设的数据输入？？—— 中断技术

当硬件设备有数据输入时，产生的光电信号经过8259表的特殊处理，会激活CPU上与该外设相连接的针脚，在CPU寄存器上生成中断号，随后，OS通过该中断号遍历中断向量表，找到表上记录的相应硬件的处理方法，即OS会从键盘缓冲区读取数据，并对读取的数据类型做判断，若其为组合的控制键（如：Ctrl + c、Ctrl + v），则OS向前台进程发送对应的信号，若为普通的输入数据，则将其拷贝到指定的内存缓冲区上。

至于，当进程收到信号后，对信号的识别、存储和执行，咱们放在后文中细讲~~

但有一点需要先提一下：信号的本质就是用软件来模拟中断的行为！！

二.详解信号

1.信号的产生

a.键盘组合键

如：

Ctrl + c   向前台进程发送2号信号 —— 其功能默认是终止进程

Ctrl + \    向前台进程发送3号信号  —— 其功能默认是终止进程

注意：9号（暂停进程）和19号（杀掉进程）不能被signal自定义捕捉！！

b.kill 指令和系统调用接口

① kill 指令

在命令行上，我们可以使用 kill -x  + pid，通过目标进程的pid，向目标进程发送 x 号信号。

② kill() 系统调用接口

在代码中，我们可以使用 kill(pid_t pid , int signal)函数，通过进程的 pid，向目标进程发送 signal 号信号。若发送成功，返回0；发送失败，则返回-1.

为了能够灵活的指定目标进程的控制信号，我们可以通过用命令行参数的方式拿到目标进程的pid和控制信号，如：

运行效果：

③ raise() 系统调用接口

当代码执行到 raise(int signal)函数时，OS会向自身发送 signal 号信号。

c.硬件级异常问题产生信号

①除零报错

当源文件的代码有类似除零这样的运算错误时，可执行程序运行时报错的底层原理是什么？？

当可执行程序被加载到内存后，OS先将进程的 task_struct 放到运行队列，随后CPU执行程序代码，当CPU状态寄存器发现有除零操作时，其溢出标记位直接被置为1，从而形成在硬件层面上的报错，作为硬件的管理者，OS会从CPU那里拿到错误信息，又作为进程的管理者，OS把CPU溢出标记位信息翻译成终止信号，最后向目标进程发信号将其终止掉。

②野指针报错

当程序中出现这样的代码时： int * p=nullptr; *p=1;  典型的野指针问题，程序运行出错（段错误），那么其底层的原理是什么？

nullptr 在进程地址空间上的位置是0号地址，*p=1是通过页表将1写到“与0号地址空间构成映射关系”的物理内存上，但是，由于页表并未记录物理内存与地址空间上0号地址的映射关系，并且0号地址非法，所以当CPU通过MMU（内存管理单元，可以将虚拟地址翻译成物理地址）将值写入内存时，MMU报错，即硬件层面上的出错！！报错信息会被OS捕捉到，然后OS会向该进程发送终止信号，把该进程杀掉。

d.由软件条件产生信号

①匿名管道

进程间通信机制中，有个东西叫做匿名管道（博主以前文章中有过详细讲解），当匿名管道的读端关闭，写端一直向管道内写入数据的话，OS就会向该进程发送13号信号（SIGPIPE）干掉进程！

②闹钟

alarm() 函数是一个用于设置定时器的系统调用函数，它的主要功能是设置一个定时器（闹钟），当定时器时间到达时，内核会向当前进程发送14号信号（SIGALRM）信号。

总结：产生信号的方式可能有很多，但向进程发送信号的只能是OS！！

2.信号的发送

a.OS给进程发信号的实质

OS通过进程pid找到进程的PCB，然后将发送的信号写到进程PCB内的信号位图上，这就是OS给进程发送信号的本质。

那么问题来了，信号位图是什么？

我们知道，进程PCB在创建时，就已经内置了对信号的处理方法，即PCB需要具有识别、存储并执行每一种信号的能力，那么，这个能力是什么？？--- 进程PCB内有关信号的三张表

进程PCB内有关信号的三张表指的是什么？

① Pending表（未决信号集）

它本身是一个位图，其中，比特位的大小表示信号值（如：位图的第8个比特位表示8号信号），比特位的内容表示进程是否收到对应信号（如：位图的第8个比特位值为0，表示进程未收到8号信号；若值为1，则表示进程收到了8号信号），Pending 表的功能是用来记录当前进程收到了哪些信号。

② Block表（信号屏蔽集）

它也是一个位图，其中，比特位的大小表示信号值，比特位的内容表示对应信号是否被进程屏蔽。

注意信号屏蔽和信号忽略的区别

信号屏蔽：信号屏蔽是指进程对特定信号进行屏蔽，使得这些信号在发生时不会被立即处理，而是处于未决状态。只有当进程的信号屏蔽集发生改变，不再屏蔽这些信号时，这些信号才会被捕获并处理。信号屏蔽是一种将信号处理进行延后的机制。

信号忽略：信号忽略则是指进程对特定信号进行忽略处理，即当这些信号发生时，进程会接收到信号，但不会对信号进行任何处理。需要注意的是，并非所有信号都可以被忽略，如SIGKILL和SIGSTOP等信号就不能被忽略。

③ handler表（信号处理函数表）

定义：handler表是一个映射表，它将信号的编号（如SIGINT、SIGTERM等）与相应的处理函数（这些处理函数可以是用户自定义的，也可以是系统默认的）建立映射关系。

作用：当进程接收到一个信号时，内核会暂停当前进程的执行，并根据信号的编号在handler表中查找对应的处理函数。如果找到了处理函数，则执行该函数；如果没有找到（即该信号被忽略或未设置处理函数），则根据信号的默认行为进行处理。

④小结

实际执行信号的处理动作称为信号递达（handler）.

信号从产生到递达之间的状态称为信号未决（pending）.

进程可以选择阻塞某个信号（block）.

被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，暂时不递达（不处理），直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。

b.信号集操作函数

①有关sigset_t类型位图操作的函数接口

int  sigemptyset( sigset_t*  set);   功能：将set中所有比特位的值置为0

int  sigfillset( sigset_t*  set);  功能：将set中所有比特位的值置为1

int  sigaddset( sigset_t*  set , int signo);  功能：在set中添加信号signo

int  sigdelset( sigset_t*  set , int signo);  功能：在set中将信号signo删除

int  sigismember( sigset_t*  set , int signo);  功能：判断set中信号signo是否存在

②sigprocmask

③sigpending

int sigpending(sigset_t *set); 函数能够查询当前进程或线程的未决信号集（也就是Pending表的内容），并将该集合复制到set参数指向的信号集中。

sigpending() 函数通常与sigprocmask() 函数一起使用，以管理进程的信号屏蔽字和未决信号集合。例如，在更改进程的信号屏蔽字之前，可以使用sigpending() 函数查询当前的未决信号集合，以便在之后恢复信号屏蔽字时能够正确处理这些未决信号。

c.屏蔽进程的指定信号（代码实战）

3.信号的处理

我们已经知道：OS向进程发送信号的实质是将信号写入进程PCB中的Pending表。那么，进程是在什么时候执行信号的具体功能的呢？--- 进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号的检测和信号的处理。

那么，什么是内核态？什么又是用户态？进程又是如何从内核态返回到用户态的呢？

a.用户态和内核态

用户态和内核态是操作系统中的两种重要状态，它们分别代表了不同的运行级别和权限范围。

用户态：用户态是用户程序运行时的状态，在这种状态下，CPU只能执行非特权指令，不能直接访问内存等硬件设备，也不能执行特权操作，如修改系统配置、访问其他进程的内存等。用户态下的程序运行在用户空间，其资源访问权限受到严格限制，只能访问自己的[0 , 3GB]空间，以确保系统的安全性和稳定性。

内核态：内核态是操作系统内核运行时的状态，在这种状态下，CPU可以执行所有的指令，包括特权指令，可以访问所有的内存地址和硬件设备，拥有最高的权限。内核态下的程序运行在内核空间，负责管理系统资源、处理硬件事件、提供系统服务等。

b.用户态和内核态间的切换方式

①系统调用

用户态进程通过系统调用请求操作系统提供服务时，会触发从用户态到内核态的切换，系统调用是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式。

②抛异常

当CPU在执行用户态下的程序时，如果发生某些事先不可知的异常（如缺页异常），会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，从而转到内核态。

③中断

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，会暂停执行当前的用户态程序，转而执行与中断信号对应的内核中断处理程序，从而完成从用户态到内核态的切换。

进程执行信号功能的底层示意图

图解：操作系统在用户态执行系统调用接口时，会从用户态——>内核态，以内核态的权限执行内核代码，当OS从内核态返回到用户态时会进行信号检测，若有用户自定义捕捉信号，则执行处理方法（内核——>用户），执行完后，会通过特定的系统调用接口，从用户再回到内核态，最后从内核态携着系统调用接口的返回信息回到用户态，即主控制流程。

c.重谈地址空间

就如曾经的库函数调用一样，调用系统调用接口，也是在进程的地址空间上进行的！！

操作系统的朴素理解：就是基于一个时钟中断的死循环！！

4.信号的捕捉

 什么是信号捕捉？本质是对某个或某些信号的功能进行重定义，当OS给当前进程发送相关信号时，进程会执行重定义后的功能，这就是信号捕捉。

如何进行信号捕捉？--- 系统调用接口：①signal;   ②sigaction。

接下来，咱们会详解这两个接口的功能~~

a.signal

sighandler_t  signal ( int signum , sighandler_t handler );

signum 是我们要自定义的信号，handler 是 void ( * )( int ) 类型的回调函数，该回调函数的功能需要我们自主实现。当进程的代码执行到该系统调用接口后，此时，如果我们在向该进程发送 signum 信号的话，进程执行的就是 handler 函数中的代码~~

示例：

我们知道，当进程收到信号时，对信号的处理有三种方式：①忽略；②默认处理；③自定义捕捉

而 signal() 接口不仅可以实现信号的捕捉，它还能决定进程对信号的处理方式。当 signal() 第二个参数传递咱们自定义的函数时，signal() 执行的是自定义功能；当 signal() 第二个参数传递的是 SIG_IGN 时，表示信号忽略；当 signal() 第二个参数传递的是 SIG_IGN 时，表示执行信号的默认处理方法；

信号的忽略 —— signal( signum , SIG_IGN );

信号的默认处理 —— signal( signum , SIG_DFL );

信号的自定义捕捉 —— signal( signum , handler );

b.sigaction

int sigaction(int signum, const struct sigaction* act, struct sigaction* oact);

第一个参数 signum：指定要操作的信号编号，除了9号信号（SIGKILL）和19号信号（SIGSTOP）之外，其他所有信号都可以被处理。

第二个参数 act：用于指定新的信号处理方式，与 signal 中第二个参数作用类似。

第三个参数 oact：拿到老的 act，即上一次信号的处理方法。

详解struct sigaction 结构体

struct sigaction

{  
    void (*sa_handler)(int);
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t sa_mask; 
    int sa_flags; 
};

sa_handler：信号处理函数指针，与signal函数中的handler参数类似。

sa_sigaction：作用是存放上一次使用的 handler。

sa_mask：信号屏蔽集，指定在信号处理函数执行期间应被阻塞的信号。