网站建设zgkr,凡科互动游戏玩高分技巧,滁州建设管理网站,江西哪里可以做企业网站Linux进程信号 0 引言1 认识信号1.1 什么是信号1.2 发送信号的本质1.3 信号的处理 2 信号的产生2.1 键盘产生2.2 调用系统函数向进程发送信号2.3 由软件条件产生信号2.4 硬件异常产生信号 3 信号的保存4 信号的处理5 总结 0 引言
本篇文章会从Linux信号的产生到信号的保存最后到信号的处理逐过程讲解
1 认识信号
1.1 什么是信号 在计算机科学中信号是Unix、类Unix以及其他POSIX兼容的操作系统中进程间通讯的一种有限制的方式。它是一种异步的通知机制用来提醒进程一个事件已经发生。当一个信号发送给一个进程操作系统中断了进程正常的控制流程此时任何非原子操作都将被中断。如果进程定义了信号的处理函数那么它将被执行否则就执行默认的处理函数。 在Linux中使用 kill -l 命令来查看信号类型 在上图中1-31的信号为分时信号34-64为实时信号。本篇文章过多不讨论实时信号。 实时信号是当该类型信号被发送后需要立即被处理。而分时信号可以等到合适的时机再去进行处理进程只需要保存有没有产生该信号即可。 man 7 signal 查询各种信号的处理动作 Core Dump(核心转储) 首先解释什么是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 在上图中 Action那列信号的处理动作 Core和Term本质上都是终止掉进程但是如果是Core这种动作的话在发送这种类型的信号时会把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上。 如果只是Term terminal就只是终止掉该进程而已 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。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)。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。
$ ulimit -a//查看ulimit -c 字节大小 //修改core文件大小1.2 发送信号的本质
信号是需要被进程保存的那么就需要一种数据结构来进行保存。只需要记录某种信号是否产生或者不产生用0或1表示即可。上面的分时信号是31个而32位系统下一个整数的比特位是32那么我们可以利用“位图”这种结构来保存。
进程的task_struct中也确实采用了位图这种数据来保存信号用int表示 uint32_t signals: 00000000 00000000 00000000 00000000 当9号信号产生时直接把9号位置改为1即可 00000000 00000000 00000001 00000000 所以所谓的发送信号本质是写入信号直接修改特定进程信号的位图中的特定比特位即可。 因为task_struct数据内核结构只能由操作系统OS来修改所以无论有多少种信号产生的方式最终都必须让OS来完成最后的发送过程。
1.3 信号的处理
当进程收到信号时需要对该信号进行处理。 信号的处理有三种 1.默认动作 2.忽略信号 3.自定义动作
2 信号的产生
2.1 键盘产生
用户在Linux下执行一个前台进程然后使用ctrlc操作会直接终止掉该前台进程。这是因为用户按下ctrlc这个键盘输入产生一个硬件中断被OS获取解释成信号发送给目标前台进程前台进程因为收到信号进而引起进程退出。
ctrlc组合键只能终止掉前台进程对后台进程无效。这时我们可以使用kill -9指令来该终止进程。
验证如下 我们在Linux下运行该代码 这是前台进程当我们按下ctrlc的时候进程会直接终止。 我们把它变为后台进程 在运行命令后加一个 ctrlc 命令无效 使用kill -9 进程才能正常杀掉
$ kill -9 2001//2001是进程的pidctrlc本质上是2号信号默认处理动作是终止进程我们可以signa函数来自定义处理动作验证一下。
利用signal函数验证ctrlc指令本质上是2号信号 运行上面代码按下ctrlc后进程确实终止了而且是用了我们2号信号终止的。
值得一提的是在这31个信号中我们可以对除9号信号以外的所有信号进行自定义捕捉把处理动作设置成我们需要的动作。 9号信号叫做管理员信号操作系统不允许用户修改9号信号的动作。 假设可以被修改我们的自定义动作如下
void handler(int signo)//处理动作的方式
{std::cout get a signal: signo std::endl;
}整个代码无法让进程终止1到31个信号没一个可以终止掉因为动作都被修改为自定义的了。那么如果这个进程运行了是不是就无法终止了没有办法处理掉他了这太危险了。所以至少要保留一个信号处理动作不能被用户随意修改这就是9号信号为什么是管理员信号。 2.2 调用系统函数向进程发送信号
kill函数 其实我们上面使用的kill命令本质上就是调用了系统函数kill raise函数 raise函数可以给当前的进程发送指定的信号。就是自己给自己发送信号 运行下列代码 abort函数 abort函数给当前进程发送6号信号 2.3 由软件条件产生信号
在Linux进程间通信中使用管道时SIGPIPE信号实际上就是一种由软件条件产生的信号当进程在使用管道进行通信时读端进程将读端关闭而写端进程还在一直向管道写入数据那么此时写端进程就会收到SIGPIPE信号进而被操作系统终止。
这就是软件条件产生信号当满足条件时就会发送信号终止进程。 本小节主要介绍alarm函数和SIGALRM信号14号信号 #include unistd.h unsigned int alarm(unsigned int seconds); 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。 在笔者这里确实是1秒钟后进程被终止了。 这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个比方,某人要小睡一觉,设定闹钟为30分钟之后响,20分钟后被人吵醒了,还想多睡一会儿,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,“以前设定的闹钟时间还余下的时间”就是10分钟。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 执行下面代码我们使用 kill -14 命令提前唤醒闹钟 2.4 硬件异常产生信号
硬件异常被硬件以某种方式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以0的指令,CPU的运算单元会产生异常,内核将这个异常解释 为SIGFPE信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址,MMU会产生异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。
3 信号的保存
信号的一些其他相关概念 1.实际执行信号的处理动作称为信号递达Delivery 2.信号从产生到递达之间的状态该信号被保存了称为信号未决Pending 3.进程可以选择阻塞Block某个信号 4.被阻塞的信号产生时将保持在未决状态知道进程解除对该信号的阻塞才执行递达的动作 5.阻塞和忽略是不同的只要信号被阻塞就不会递达而忽略是信号递达之后的一种处理动作 信号在内核中的表示示意图 1.每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。信号 产生时,内核在进程控制块中设置该信号的未决标志,直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作 2.SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞 3.SIGQUIT信号未产生过,一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞,它的处理动作是用户自定义函数sighandler。 如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。 sigset_t 从上图来看,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。 信号集操作函数 sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现,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,而不应该对它的内部数据做任何解释,比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。 #include signal.h int sigemptyset(sigset_t *set); int sigfillset(sigset_t *set); int sigaddset (sigset_t *set, int signo); int sigdelset(sigset_t *set, int signo); int sigismemberconst sigset_t *set, int signo); 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置1,表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。 注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的 状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号 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)。 #include signal.h int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset); 返回值:若成功则为0,若出错则为-1 如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset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oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset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 验证 运行这段程序预期结果是2号信号被阻塞了对该进程无法使用2号信号来终止掉进程。 2号信号可以通过ctrlc产生可以看到2号信号对该进程无效 我们使用命令来尝试使用2号信号结束该进程 还是无效这说明2号信号确实是被阻塞了 sigpending #include signal.h int sigpending(sigset_t *set); 读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。 该程序的预期结果是 先打印31个0因为一开始没有信号未决。 然后当我们发送2号信号后位图结构的第二个位置会从0变为1 原因是2号信号被我们阻塞了此时信号处于未决状态。
4 信号的处理
前面我们讲过信号是在合适的时候被处理。原因是信号的产生是异步的当前进程可能正在做更重要的事情。 所谓的“合适的时候”是指当进程从“内核态”切换到“用户态”时进程会在OS的指导下进行信号的检测和处理默认忽略自定义捕捉。 用户态执行用户所写的代码的时候进程所处的状态 内核态执行OS所写的代码的时候进程所处的状态 当进程时间片到了或者用到系统调用时就要从用户态切换到内核态。 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 sigaction #include signal.h int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact); 该函数的用法和signal一样但是功能更强大一些 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。signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非 空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体 将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动 作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回 值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信 号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。 当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字
5 总结
以上就是Linux进程信号从产生到保存到处理的过程。 Linux 中的信号机制可以用于处理各种异常情况如程序执行过程中的错误、非法操作、内存溢出等。在遇到这些异常情况时系统会向进程发送相应的信号进程可以安装信号处理函数来捕获并处理这些信号以避免程序崩溃或出现严重错误。
下面是一些使用信号处理异常的常见场景 1、程序崩溃处理当程序出现异常情况时如空指针访问、内存溢出等系统会向进程发送 SIGSEGV 或 SIGABRT 信号进程可以安装信号处理函数来捕获这些信号打印出错信息、保存程序状态最终退出程序或进行恢复操作。 2、非法操作处理进程可以使用信号来捕获非法操作如非法指令、非法访问等。在接收到这些信号时进程可以使用信号处理函数来打印错误信息、终止程序或进行其他处理。 3、系统资源不足处理当系统资源不足时如内存不足、文件打开数达到最大限制等系统会向进程发送相应的信号进程可以使用信号处理函数来释放资源、减少内存使用、关闭文件等以避免系统崩溃。 4、进程间通信错误处理当进程间通信出现错误时如通信超时、通信失败等进程可以使用信号来捕获这些错误打印错误信息、重新发送数据等。
总之信号机制是 Linux 中一种非常有效的处理异常情况的方式可以用于捕获各种类型的异常、进行错误处理、保护系统安全等。在编写程序时需要注意对各种异常情况的处理及时捕获信号并进行相应的处理以提高程序的稳定性和可靠性。
