【Linux探索學習】第二十七彈——信號（上）：Linux 信號基礎詳解

Linux學習筆記：

https://blog.csdn.net/2301_80220607/category_12805278.html?spm=1001.2014.3001.5482

前言：

前面我們已經將進程通信部分講完了，現在我們來講一個進程部分也非常重要的知識點——信號，信號也是進程間通信的一種，本篇主要講解信號的概念和信號的幾種產生方法及對應的場景

一、引言

二、信號的概念

2.1 什么是信號

2.2 信號的作用

2.3 信號的特點

2.4 常見信號列表

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三、信號的產生

3.1 前臺進程和后臺進程

3.2?用戶產生信號

3.3?系統產生信號

3.4?軟件產生信號

四、信號的處理

4.1 默認處理方式

4.2 自定義信號處理函數

五、總結

一、引言

在 Linux 操作系統中，信號（Signal）是一種進程間通信（IPC，Inter - Process Communication）的機制，它用于通知進程發生了某種異步事件。信號可以來自內核，也可以來自其他進程。進程接收到信號后，會根據信號的類型以及自身的處理方式做出相應的反應。理解信號對于編寫健壯的 Linux 程序以及深入理解 Linux 操作系統的運行機制至關重要。

二、信號的概念

2.1 什么是信號

信號是一種軟中斷，它是一種異步通知機制。當某個特定事件發生時，如用戶按下特定組合鍵、系統資源耗盡、進程異常終止等，系統會向相關進程發送一個信號。每個信號都有一個對應的編號和名稱，例如信號 1 表示 SIGHUP（掛起信號），信號 9 表示 SIGKILL（強制終止信號）。

2.2 信號的作用

信號的主要作用是讓進程能夠對異步事件做出響應。例如，當用戶在終端中按下 Ctrl + C 組合鍵時，系統會向當前前臺進程發送 SIGINT 信號，通常進程會接收到這個信號后停止當前正在執行的任務并退出。信號還可以用于進程間的通信，一個進程可以向另一個進程發送信號來通知其執行某些操作。

結合2.1和2.2我們來講解一個概念：信號是一種軟中斷，是什么意思呢？當我們往鍵盤中輸入內容時是如何告訴給內核的？ctrl+c又是如何被解釋為指令的呢？

我們先來看下面這張圖：

? ? ? ? 鍵盤實際上是通過中斷來讓操作系統知道自己要寫入內容的，鍵盤被按下時，就會觸發硬件中斷，不同的硬件對應著不同的中斷號，中斷單元就可以通過它們的中斷號將它們與CPU中不同的鍵位相連，從而使CPU中這個方向的寄存器(32位)特定位置產生電信號，操作系統中有一個叫中斷向量表的類似于函數指針結構體的結構，里面保存著訪問各種外設的方法，操作系統通過CPU產生的電信號就辨別出要獲取哪種硬件的信息，從而通過中斷向量表中的方法，將硬件中的信息拷貝到操作系統的文件緩沖區中(操作系統下一切皆文件，且每一個文件都有自己的文件緩沖中區)，然后再拷貝到用戶緩沖區
? ? ? ?同時比如鍵盤等外鍵，操作系統在獲取鍵盤上的信息時會先進行識別，會對數據進行判斷，如果是控制進程的比如ctrl+c等組合鍵就不會往緩沖區中拷貝，我們可以發現我們學習的信號與上面的中斷過程很像，其實信號，就是用軟件方式，模擬的對講程的硬件中斷，所以信號也被叫做軟中斷

2.3 信號的特點

異步性：信號的產生是異步的，與進程的執行順序無關。進程在運行過程中可能隨時收到信號。

簡單性：信號機制相對簡單，只需要一個信號編號就可以標識不同的信號。

有限性：Linux 系統中定義的信號數量是有限的，不同的系統可能略有差異，但通常在幾十種左右。

2.4 常見信號列表

信號編號	信號名稱	含義	默認處理方式
1	SIGHUP	掛起信號，通常在終端關閉時發送給相關進程	終止進程
2	SIGINT	中斷信號，由用戶按下 Ctrl + C 組合鍵產生	終止進程
3	SIGQUIT	退出信號，由用戶按下 Ctrl + \ 組合鍵產生	終止進程并生成核心轉儲文件
9	SIGKILL	強制終止信號，不能被捕獲、阻塞或忽略	立即終止進程
15	SIGTERM	終止信號，通常用于正常終止進程	終止進程
18	SIGCONT	繼續信號，用于恢復被暫停的進程	繼續執行進程
19	SIGSTOP	停止信號，用于暫停進程，不能被捕獲、阻塞或忽略	暫停進程

可以通過kill -l指令查看所有信號

kill -l

三、信號的產生

3.1 前臺進程和后臺進程

先來科普一個小知識點：前臺進程和后臺進程，來看下面一個程序

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main()
{while(true){cout<<"I am a crazy process"<<endl;sleep(1);}return 0;
}

我們進行編譯后會得到一個可執行程序

./myfile

我們這樣執行時我們會發現在程序運行的時候，我們輸入其它指令比如Is，pwd等都不會有結果，進程還在繼續運行，除非用ctrl+c終止掉進程，這樣的進程稱為前臺進程

./myfile &

這種的后面加上地址符的叫做后臺進程，后臺進程可以被其它進程命令臨時打斷并執行這個命令，比如我們輸入ls指令，進程就會暫停并且輸出Is的結果，但是最后需要自己把進程結束掉

Linux中，一次登陸中，一個終端，一般會配上一個bash，每一個登陸，只允許一個進程是前臺進程，可以允許多個進程是后臺進程
當./process運行時，輸入指令之所以不能運行就是因為此時的前臺進程由bash轉變為了process

終端占用情況
前臺進程：會獨占終端，直到進程執行完成或者被掛起，在這期間終端無法接受其他命令輸入，用戶只能與該進程進行交互。
后臺進程：不會占用終端，終端可以繼續接受用戶輸入的其他命令，用戶可以在同一個終端中同時啟動多個后臺進程，并隨時切換到其他任務。

運行特性
前臺進程：其執行過程會受到用戶操作的直接影響，比如用戶可以通過鍵盤輸入來中斷或暫停進程。如果終端關閉，前臺進程通常會被終止，除非進行了特殊的設置。
后臺進程：通常是長時間運行的，不受終端關閉的影響，除非明確地對其進行停止或重啟操作。它按照自身的邏輯和任務需求在后臺持續運行，不會因為用戶的一些常規操作而中斷。

3.2?用戶產生信號

鍵盤輸入：用戶可以通過在終端中按下特定的組合鍵來產生信號。例如：

Ctrl + C：產生 SIGINT 信號，用于中斷當前正在運行的進程。比如，我們在終端中運行一個長時間運行的命令while true; do echo "Hello"; sleep 1; done，按下 Ctrl + C 后，該命令對應的進程會接收到 SIGINT 信號并終止。

Ctrl + \：產生 SIGQUIT 信號，不僅會終止進程，還會生成核心轉儲文件（如果系統配置允許，一般在云服務器上是默認關閉的，虛擬機上可能是開啟的）。例如，運行一個簡單的 C 程序#include <stdio.h> int main() { while(1); return 0; }，編譯運行后，按下 Ctrl + \，進程會終止并生成核心轉儲文件（在當前目錄下，文件名為 core，具體名稱和位置可能因系統配置而異）。（了解即可，這個生成core文件的內容與進程退出部分也有聯系，有想了解的可以單獨去搜索一下）

使用 kill 命令：用戶可以使用 kill 命令向指定進程發送信號。kill 命令的基本語法是kill [信號編號] 進程ID。例如，要向進程 ID 為 1234 的進程發送 SIGTERM 信號（信號編號為 15），可以在終端中輸入kill -15 1234，也可以使用信號名稱kill -SIGTERM 1234。如果省略信號編號或名稱，默認發送 SIGTERM 信號。

3.3?系統產生信號

進程異常：當進程發生異常時，如段錯誤（訪問非法內存地址）、除零錯誤等，系統會向該進程發送相應的信號。

- 段錯誤（Segmentation Fault）：當進程訪問了不屬于它的內存區域時，會產生段錯誤，一般都是野指針問題，系統會向該進程發送 SIGSEGV 信號。例如，下面的 C 代碼會導致段錯誤：

#include <stdio.h>int main() {int *ptr = NULL;*ptr = 10; // 試圖向空指針指向的地址寫入數據，會引發段錯誤return 0;}

編譯運行這段代碼，程序會崩潰，并提示 “Segmentation fault”，這是因為進程接收到了 SIGSEGV 信號。

除零錯誤（Division by Zero）：當進程執行除法運算時，如果除數為零，會產生除零錯誤，系統會向該進程發送 SIGFPE 信號。例如：

#include <stdio.h>int main()
{int a = 10;int b = 0;int c = a / b; // 除零操作，會引發除零錯誤return 0;
}

運行這段代碼，程序會崩潰，并提示 “Floating point exception”，這是因為進程接收到了 SIGFPE 信號。

2. 系統資源相關：當系統資源達到一定閾值時，也可能產生信號。例如，當進程使用的內存超過了系統限制時，系統可能會發送 SIGKILL 信號來終止該進程，以防止系統內存耗盡。不過，這種情況通常需要系統進行相關的配置和監控。

3.4?軟件產生信號

使用 kill 函數：在 C 語言編程中，可以使用 kill 函數向指定進程發送信號。kill 函數的原型可以用man手冊查看，如下：

 man 2 kill

其中，pid 是目標進程的 ID，sig 是要發送的信號編號。例如，下面的代碼演示了如何使用 kill 函數向另一個進程發送 SIGTERM 信號：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
int main()
{pid_t target_pid = 1234; // 假設目標進程ID為1234int result = kill(target_pid, SIGTERM);if (result == -1){perror("kill failed");}else{printf("SIGTERM sent to process %d\n", target_pid);}return 0;
}

在實際使用中，需要將target_pid替換為真實的目標進程 ID。

2. 使用 raise 函數：進程可以使用 raise 函數向自身發送信號。raise 函數的原型也可以通過man手冊來查看，如下：

man raise

其中，sig 是要發送的信號編號。例如，下面的代碼演示了如何使用 raise 函數向自身發送 SIGINT 信號：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int main()
{int result = raise(SIGINT);if (result != 0){perror("raise failed");}else{printf("SIGINT sent to self\n");}return 0;
}

運行這段代碼，進程會接收到自己發送的 SIGINT 信號并終止。

四、信號的處理

4.1 默認處理方式

每個信號都有一個默認的處理方式，常見的默認處理方式包括：

終止進程：如 SIGINT、SIGTERM 等信號的默認處理方式是終止進程。

生成核心轉儲文件并終止進程：例如 SIGQUIT 信號，在終止進程的同時會生成核心轉儲文件，該文件包含了進程在收到信號時的內存狀態等信息，可用于調試程序。

忽略信號：有些信號（如 SIGCHLD，子進程狀態改變時發送給父進程的信號）的默認處理方式是忽略。

4.2 自定義信號處理函數

進程可以通過調用 signal 函數或 sigaction 函數來設置自定義的信號處理函數。

signal 函數：signal 函數的原型如下：

man signal

其中，signum 是信號編號，handler 是指向信號處理函數的指針。例如，下面的代碼演示了如何使用 signal 函數設置 SIGINT 信號的自定義處理函數：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void signal_handler(int signum)
{printf("Received SIGINT. Cleaning up...\n");// 在這里進行一些清理工作，如關閉文件、釋放資源等_exit(0); // 退出進程
}
int main()
{signal(SIGINT, signal_handler);while (1){printf("Running...\n");sleep(1);}return 0;
}

在這個例子中，當進程接收到 SIGINT 信號時，會調用signal_handler函數，而不是默認的終止進程操作。

2. sigaction 函數：sigaction 函數比 signal 函數提供了更豐富的功能，它可以設置信號處理函數、處理信號時的掩碼、信號的標志等。sigaction 函數的原型如下：

#include <signal.h>int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);struct sigaction {void (*sa_handler)(int);void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);sigset_t sa_mask;int sa_flags;void (*sa_restorer)(void);};

其中，signum 是信號編號，act 是指向新的信號處理動作的結構體指針，oldact 是指向舊的信號處理動作的結構體指針（如果不需要獲取舊的處理動作，可以設為 NULL）。例如，下面的代碼演示了如何使用 sigaction 函數設置 SIGINT 信號的自定義處理函數：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void signal_handler(int signum)
{printf("Received SIGINT. Cleaning up...\n");// 在這里進行一些清理工作，如關閉文件、釋放資源等_exit(0); // 退出進程
}
int main()
{struct sigaction new_action, old_action;new_action.sa_handler = signal_handler;sigemptyset(&new_action.sa_mask);new_action.sa_flags = 0;sigaction(SIGINT, &new_action, &old_action);while (1){printf("Running...\n");sleep(1);}return 0;
}

這段代碼與使用 signal 函數的例子功能類似，但使用 sigaction 函數可以更靈活地配置信號處理方式。