操作系统——信号

将信号分为以上四个阶段

1.信号注册：是针对信号处理方式的规定，进程收到信号时有三种处理方式：默认动作，忽略，自定义动作。如果不是自定义动作，这一步可以忽略。这个步骤要使用到signal/sigaction接口

2.信号产生：就是操作系统向进程发出信号

3.信号保存

4.信号捕捉处理

信号有哪些

1-31是普通信号 34-62是实时信号

Action列指的是当信号被发送到一个进程时，默认操作系统采取的动作。具体的动作类型和含义如下：

Term (Terminate)：
- 终止进程。此操作表示操作系统将结束进程的执行。这是大多数信号的默认动作。
Core (Terminate and Dump Core)：
- 终止进程并生成核心转储文件。核心转储文件包含了进程在被终止时的内存状态，可以用于调试目的。想了解core的调试看这篇文章
Ign (Ignore)：
- 忽略信号。进程接收到信号时，操作系统不会采取任何动作，也不会通知进程。
Stop：
- 停止进程的执行。进程被暂停，直到接收到继续信号（如SIGCONT）。
Cont (Continue)：
- 继续执行被停止的进程。此操作恢复一个之前被暂停的进程的执行。

理解信号

信号和生活中的信号是一样的。例如下课铃声就是一个信号，上学的第一天，老师会告诉我们下课铃声响起的时候就可以下课休息——信号规定。当一节课的下课铃声响起，我们收到这个信号，但是老师想拖堂，我们先将这个信号保存到大脑，等老师讲完才会对下课信号处理。从下课铃声响起到真正下课这段时间就是时间窗口。信号产生了并不代表现在就要处理，进程会选择在合适的时间进行处理。

信号注册

signal

signal是将signum这个信号的处理方式进行自定义

注意：信号9和信号19不可以修改，因为进程终止和停止的权利必须由操作系统掌握

例子：

将信号1自定义捕捉

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>using namespace std;
void fun(int signum)
{cout << "get signum" << signum << endl;
}int main()
{signal(1,fun);while(1){cout << "process running pid:" << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

运行程序发送信号1

sigaction

了解信号保存信号处理后再了解这个接口！！！！

sigaction结构体中，第一个是自定义动作函数指针，第三个是处理信号时要屏蔽的信号，其他的暂时不考虑。

act表示信号处理的方式，oact表示之前信号处理的方式。

例子：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>using namespace std;void PrintPend(sigset_t& set)
{for(int signo = 31; signo >= 1; signo--){if(sigismember(&set, signo)) cout << 1;else cout << 0;}cout << endl;
}
void header(int sig)
{sigset_t set;sigemptyset(&set);while(1){sigpending(&set);PrintPend(set);sleep(1);}
}
int main()
{struct sigaction act,oact;sigaddset(&act.sa_mask, 3);sigaddset(&act.sa_mask, 4);sigaddset(&act.sa_mask, 5);act.sa_handler = header;sigaction(SIGINT, &act, &oact);while(1){cout << "process running:" << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

3 4 5 信号都被屏蔽了，处理信号的过程发送信号只会先保存

当操作系统处理信号调用自定义动作时先将对应信号pend置为0，为了防止信号的嵌套处理，还会自动将当前信号屏蔽。

sa_mask可以自己设置要屏蔽的信号

信号发送

什么是信号发送

信号是由OS向进程发送的，信号就一定保存在进程中。普通信号有31个，以位图的形式储存到进程PCB的一个int类型中。实时信号与普通信号的区别就是：实时信号收到后必须立即处理不会等待，实时信号是存储在进程的一个队列中。所以发信号就是操作系统修改对应的int值或者队列

信号发送方式

键盘组合键

例如：

ctrl+c，信号2中断进程

ctrl+\，信号3退出进程

键盘组合键是怎么发出信号的呢？

原理

键盘写入完毕后，会向CPU发送硬件中断包括中断号，CPU告诉操作系统，操作系统通过中断号到中断向量表寻找中断号所对应的方法地址，使用该方法将键盘缓冲区的数据写到OS缓冲区，操作系统拿到数据后对进程发出信号

另外，键盘只能向前台进程（哪个进程能获取键盘输入，哪个进程就是前台进程）发送信号。Linux中一个登录只能有一个前台进程，可以有多个后台进程。

当我们./运行一个程序时，前台进程就是正在运行的程序，ctrl+c就会终止当前进程。

如果在运行时./后面加上&，当前进程就会以后台进程的方式运行，ctrl+c无效。因为前台进程是bash，此时键盘任何输入都会给bash，也就意味着这时可以使用命令行

kill命令

kill signum PID

系统调用接口

kill

向其他进程发送信号

样例：

写一个可以给其他进程发信号的程序

//myprocess.cc
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{while(1){cout << "process: " << getpid() << " running" << endl;sleep(1);}return 0;
}//mykill.cc
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>using namespace std;
void Usage(const char* argv)
{cout << argv << " pid " << "sig" << endl;
}int main(int argc, const char* argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);}else{int n = kill(stoi(argv[1]), stoi(argv[2]));if(n == -1){perror("kill fail");return -1;}}return 0;
}

raise

向当前进程发送信号

实际上调用了kill接口，相当于kill(getpid(), sig)

abort

让当前进程终止

实际上调用了kill接口，相当于kill(getpid(), 6)

注意：信号6是由其他进程发来的，不会让进程退出

alarm

在设定时间过后，发送信号

返回前一个定时器的剩余时间（以秒为单位），如果之前没有设置定时器，则返回0

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>using namespace std;
void fun(int sig)
{int n = alarm(5);cout << "get alarm" << "time:" << n <<endl;
}int main()
{//alarm收到信号后默认退出进程，进行自定义信号捕捉signal(SIGALRM, fun);alarm(5);while(1){cout << "process running" << endl;sleep(1);}
}

异常

例如遇到除0错误时，CPU在运算的过程中出现错误，会将这个情况告诉操作系统，再由操作系统给进程发信号，中断进程。操作系统即是硬件设备的管理者也是进程的管理者

如果将这个信号自定义捕捉，并且捕捉的动作不会让进程退出，会怎么样呢？

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>using namespace std;
void fun(int signum)
{cout << "get signum" << signum << endl;sleep(1);
}int main()
{signal(8,fun);int a= 1/0;return 0;
}

操作系统会一直给进程发信号。因为进程收到信号未关闭，进程会一直被CPU调度运行，一直出现错误。

信号保存

信号有几种状态：

递达(delivery):实际执行信号的处理动作

未决(panding):从信号被发出到递达之间的状态

阻塞(block):进程可以阻塞某个信号，当该信号别发出时，不会递达，只有当信号解除阻塞时才会递达

阻塞和忽略不同，忽略是递达后的处理方式

信号保存主要就是通过阻塞实现的

信号在内核中的表示：

block位图表示信号是否被阻塞，pending位图表示信号是否发出，handler是函数指针数组，存储了信号的处理方法，SIG_DFL是默认方法,SIG_IGN是忽略,还可以指向用户区自己定义的方法。

操作系统提供了block(阻塞信号集/信号屏蔽字)和pending(未决信号集)的数据类型sigset_t还有相应的系统调用接口

信号集操作接口

sigemptyset将所有标志位都置为0，sigfillset将所有标志位都置为1

sigaddset/sigdelset ：增加/删除signum信号所对应的位置

sigismember检测signum在set中是否为1

修改屏蔽信号字接口

how可以以下有几个值：

SIG_BLOCK:set中包含了希望添加到当前屏蔽信号字的信号

SIG_UNBLOCK:set包含了希望从当前屏蔽信号字删除的信号

SIG_SETMASK:将屏蔽信号字设置为set

set就是用来更改信号屏蔽字的屏蔽字参数，oset用来存储更改信号屏蔽字之前的屏蔽字参数

显示未决信号集的接口

将未决信号集拷贝到set

实例

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>using namespace std;void hander(int sig)
{cout << "get signal:" << sig << endl;
}int main()
{signal(2,hander);sigset_t set, oset;sigemptyset(&set);sigemptyset(&oset);sigaddset(&set, SIGINT);//设置屏蔽信号字sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);int cnt = 5;while (1){sigset_t pending;sigpending(&pending);//展示未决信号集for (int i = 31; i >= 1; i--){if (sigismember(&pending, i))cout << "1";elsecout << "0";}cout << endl;sleep(3);cnt--;if(cnt == 0)//解除屏蔽信号字{sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, nullptr);}}return 0;
}

注意，和信号捕捉一样，信号9和信号19不可以被阻塞

信号处理

什么时候处理

结论：当进程从内核态变为用户态，操作系统会进行信号的检测和处理。

内核态:进程访问操作系统的代码和数据

用户态:进程访问自己的代码和数据

CPU中有一些寄存器的标志位可以区分进程在哪个态。有几个进程就有几个用户级页表，而内核级页表只有一个，不管进程怎么切换，每个进程看到的内核空间都是一样的。从进程的角度看，调用系统调用接口，就是在自己的进程地址空间调用。从操作系统的角度看，在任意时刻，只要有进程运行就可以随时调用系统调用接口。

怎么处理

当进程进入内核态(例如调用了系统调用接口)，在执行系统调用操作后，会检查是否有可以递送的信号并进行处理然后返回用户态，如果是处理自定义的动作信号，就会先从内核进入用户态(因为用户态下，处理函数做非法操作会被操作系统拦截，保证了安全性)，调用信号处理函数，再回到内核态，最后返回用户态，从主控制流程上次中断的地方继续执行

信号与进程等待

子进程退出会向父进程发送信号SIGCHLD，不过这个信号默认处理方式时忽略的，可以通过自定义捕捉对进程回收。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <time.h>using namespace std;
void header(int sig)
{pid_t rid;while((rid = waitpid(-1,nullptr,WNOHANG)) > 0){cout << "wait :" << rid << " success" << endl;}
}int main()
{srand(time(nullptr));signal(SIGCHLD, header);// 创建10个子进程for (int i = 10; i > 0; i--){pid_t id = fork();if (id == 0){cout << "I am child:" << getpid() << endl;sleep(rand() % 2 + 1);cout << "child quit:" << getpid() << endl;sleep(rand() % 2 + 1);exit(0);}sleep(rand() % 3 + 3);}while(1){cout << "I am father:" << getpid() << endl;sleep(1);}
}

事实上,由于UNIX 的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调用sigaction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sigaction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。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程。