【Linux系统篇】：什么是信号以及信号是如何产生的---从基础到应用的全面解析

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一.信号概念

1.生活角度的信号

在平常的生活中，信号无处不在，比如说上下课铃声，红绿灯，快递取件码，外卖电话，闹钟等等。

1.对于这些生活中的信号，我们是如何认识这些信号的？

当然是有人教我们怎么识别信号，以及信号到来后怎么处理信号！

2.即便是当前没有信号产生，我们也知道信号产生后应该做什么。

比如点外卖，我们平常点外卖都是下单之后，过一段时间骑手才能给我们送过来，当我们收到骑手的电话后，我们就知道外卖到了要下楼取餐。但是我们在等待的这个过程中，骑手还没有给我们打电话之前，我们依然知道收到电话之后要做什么。

3.信号产生之后，我们可能并不会立即处理这个信号，而是选择在合适的时候处理，因为我们可能正在做其他更重要的事情。所以，信号产生之后直到信号处理时，存在一个时间窗口，在这个时间窗口这一时间段内，我们必须记住信号到来！

还是点外卖这个例子，我们在收到骑手的电话后，可能并不是立即下楼取餐，比如此时我们还在打游戏，中间不能断，直到游戏结束后，我们才下楼取餐。在接收到骑手电话直到游戏结束，这个时间段就是一个时间窗口，在这个时间窗口中我们需要记住外卖到了，然后游戏结束后再处理。

2.技术应用角度的信号

如果站在技术应用角度看待信号，同样可以根据上面的内容得出结论：

在计算机中，程序也就是进程代表的就是我们用户的身份。

1.进程必须可以识别以及处理信号。

2.进程即便是没有收到信号，也能知道哪些信号该怎么处理。信号的处理能力，属于进程内置功能的一部分。

3.当进程真的收到了一个具体的信号的时候，进程可能并不会立即处理这个信号，而是选择在合适的时候处理。

信号的处理方式：

• 默认动作
• 忽略
• 自定义动作

4.进程在收到信号后，到信号开始被处理的时候，也一定会有一个时间窗口，进程具有临时保存哪些信号已经发生的功能。

举个例子：

写一个死循环的程序，在命令行上采用前台进程运行；当用户在进程运行的过程中，按下Ctrl+c键，该进程就会终止退出

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

直接说明结论：Ctrl+c键的本质是被进程解释成为收到了2信号，前面提到过进程对信号的处理方式有三种，如果没有设置自定义动作，进程就会采用默认动作处理信号，而2号信号的默认动作就是终止退出。

下面图中表示的是所有的信号，其中1~31个是普通信号，而34~64则是实时信号（需要理解处理），后面讲解信号时主要围绕前31个普通信号来讲解。

信号以宏定义的形式表示，本质上就是数字编号

验证上面的结论，Ctrl+c组合键本质上是发送2号信号，并且默认处理动作是终止退出：

• signal函数：

#include <signal.h>typedef void (*sighandler_t)(int);sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

功能：用于修改特定进程对于指定信号的处理动作，也就是自定义动作，这个过程叫做信号捕捉。

参数：

• sig：信号编号或者信号名。
• handler：自定义处理函数指针，或特殊值 SIG_IGN（忽略信号，表示的是数字1）和 SIG_DFL（恢复默认行为，表示的是数字0）。

返回值：成功时返回之前的处理函数指针，失败时返回 SIG_ERR。

测试代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process get a signal: " << signo << endl;
}int main(){signal(2, handler);while (true){cout << "I am a process, pid: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

用signal函数设置自定义动作，捕捉2号信号，因为自定义动作只是输出一条语句，所以处理完后（函数调用结束），并没有终止退出，因此可以验证2号信号的默认动作就是终止退出。

• signal函数的注意事项：

1.信号处理的三种方式只能三选一，使用自定义动作，就不能再执行默认动作；

2.signal函数只需要设置一次，在进程整个生命周期往后都会有效；

3.signal函数中设置的自定义动作函数handler是在执行后续代码的过程中收到信号才调用，没有收到就不会调用；

4.对于普通信号，除了9号和19号信号不能自定义动作捕捉外，其他都可以（可以将所有普通信号使用signal函数捕捉，然后依次发送每个信号进行测试）；

5.多个信号可以设置同一个自定义动作，所以handler函数需要带一个参数，用来指定具体的目标信号。

3.补充内容

前台进程和后台进程

前台进程和后台进程是操作系统中两种不同的进程运行方式，在Linux中，一次登录，一个终端，一般会配上一个命令行解释器bash，每一个登录，只允许一个进程是前台进程，但是可以允许多个进程是后台进程。

• 前台进程：

  • 在终端中直接启动命令时默认为前台运行；

  • 一旦前台进程启动后，bash进程变成后台进程，就不再接收任何指令了，需要等待其完成才能执行其他指令

  • 前台进程直接与用户交互，可以接受用户的输入（比如键盘输入）

  • 可以通过Ctrl+c组合键终止

• 后台进程：
  • 在Linux中，可以通过在命令行后添加&符号来启动后台进程（比如./test &）
  • 一旦后台进程启动后，bash进程还是前台进程，可以继续执行用户输入的指令
  • 后台进程不与用户直接交互，通常无法接受用户输入
  • 无法通过Ctrl+c组合键终止

前后台进程的区分就是谁来获取键盘的输入，键盘输入首先是被前台进程收到的！

因为前台进程可以接收到用户输入的Ctrl+c组合键，通过硬件中断转变为接收到2号信号，执行默认动作处理从而使进程终止退出。

硬件中断

在上面的讲解例子中，键盘数据是如何输入给内核的，Ctrl+c组合键又是如何变成信号的？这就需要来了解一下关于硬件部分了。

进程是由CPU来执行的，在数据层面上，CPU不和外设直接交互；但是在控制层面上，CPU可以和外设直接交互，当外设某种事件完成后，就可以发起硬件中断，经过中断单后，向CPU发送中断信号，CPU根据中断请求线的电平变化来接收中断信号。

通过中断机制，外设可以需要时获得CPU的注意力，而不需要CPU不断检查外设状态，这样设计可以使CPU能够高效管理多个外设，而不必浪费时间在不需要服务的设备上。

此外在内存中存储了一张中断向量表，中断向量表中存放的是中断服务程序的入口地址（也就是函数指针），系统通过CPU收到的中断信号，以中断信号为索引到表中找到对应的处理中断方法，然后执行对应的操作。

当我们从键盘中输入时，键盘被按下，存有数据时，键盘立刻会发起硬件中断，通过中断单元向CPU发送中断信号，中断信号被CPU保存下来，同时操作系统会立刻读取中断信号，以此为索引到中断向量表中找到对应的处理中断方法（从键盘读取到内存中），键盘上的数据在读取到内存上时，系统会进行判断，如果是控制类型的数据，比如Ctrl+c，系统就会将2号信号发送给进程。进程收到2号信号后，如果没有自定义捕捉，就会执行默认动作终止退出。

操作系统就是不断接受中断信号来处理外设的。

对于外设和CPU的直接交互也仅仅局限于控制层面上的。

除了有硬件中断，当然还存在软件中断：信号就是用软件方式，对进程模拟的硬件中断，虽然两者没有任何关联，但设计方式却是很相似（后面信号保存的时候再讲解）

当程序正在执行代码时，可能会产生信号，信号的产生和我们自己写的代码运行是异步的。信号就是进程之间事件异步通知的一种方式—属于软中断。

二.信号产生

1.键盘组合键

常用的几个：

1.Ctrl+c

• 信号：SIGINT，信号编号为2
• 默认行为：终止进程
• 用途：强制中断前台进程的执行

2.Ctrl+\

• 信号：SIGQUIT，信号编号为3
• 默认行为：终止进程并生成核心转储（暂时了解即可，后面会讲什么是核心转储）
• 用途：强制终止进程并生成调试用的核心文件。

3.Ctrl+z

• 信号：SIGSTOP，信号编号为19
• 默认行为：暂停进程，将进程放入后台(无法被捕捉)
• 用途：暂停进程

2.kill命令

通过kill指令同样可以给指定进程发送信号：

kill [-信号编号或信号名] PID

注意：如果省略信号参数，或默认向指定进程发送SIGTERM（编号为15），优雅的终止进程。

常用信号及其用途：

信号名	编号	默认行为	典型场景
SIGTERM	15	优雅终止进程	允许进程清理资源后退出
SIGKILL	9	强制终止进程	立即杀死无响应的进程
SIGINT	2	终止进程（同 Ctrl+C）	手动终止前台进程
SIGSTOP	19	暂停进程（不可被捕获）	调试时冻结进程状态
SIGCONT	18	恢复已暂停的进程	继续运行被 SIGSTOP 暂停的进程

3.系统调用

1.kill函数

#include <signal.h>int kill(pid_t pid, int sig);

功能：

向指定进程发送目标信号（类似于指令kill发送信号）。

参数：

• pid：发送信号的目标进程
• sig：要发送的信号名或信号编号

返回值：

成功返回0，失败返回-1并设置errno。

通过kill函数实现一个自己的kill指令：

signal.cc文件：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process get a signal: " << signo << endl;
}int main(){// 所有普通信号全部捕捉for (int i = 1; i < 31; i++){signal(i, handler);}while (true){cout << "I am a process, pid: " << getpid() << endl;sleep(2);}return 0;
}

mykill.cc文件：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process get a signal: " << signo << endl;exit(0);
}int main(int argc, char *argv[]){if(argc!=3){cout << "Usage:\n\t" << "kill signal pid\n" << endl;exit(1);}int signum = stoi(argv[1]);pid_t pid = stoi(argv[2]);int n = kill(pid, signum);if(n == -1){perror("kill");exit(2);}return 0;
}

2.raise函数

#include <signal.h>int raise(int sig);

功能：

向调用这个函数的当前进程发送目标信号（等价于kill(getpid(), sig)）。

参数：

sig：要发送的信号名或信号编号

返回值：

成功返回0，失败返回-1并设置errno。

raise函数发送的信号，被捕捉后，只会执行自定义动作：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process get a signal: " << signo << endl;exit(0);
}int main(){signal(2, handler);int cnt = 5;while (true){cout << "I am a process, pid: " << getpid() << endl;sleep(1);cnt--;if(cnt==0){raise(2);}  }return 0;
}

这里对2号信号自定义动作添加了退出语句，所以执行完后回退出：

3.abort函数

#include <signal.h>int abort(void);

功能：

向调用这个函数的当前进程发送6号信号（等价于kill(getpid(), 6)）。

无参数无返回值

abort函数和raise不一样，被捕捉后，如果自定义动作没有退出，执行完自定义动作，还会执行默认动作，终止退出：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process get a signal: " << signo << endl;// exit(0);
}int main(){signal(6, handler);int cnt = 5;while(true){cout << "I am a process, pid: " << getpid() << endl;sleep(1);cnt--;if(cnt==0){abort();}}return 0;
}

对6号信号的自定义动作取消退出，但是最后依然会终止退出，就是因为被捕捉后，如果自定义动作没有退出，执行完自定义动作，还会执行默认动作，终止退出

4.异常

在刚开始学习进程的时候，在进程终止的那里讲解过进程有三种退出情况：1.代码执行完，结果正确退出；2.代码执行完，结果不正确退出；3.执行过程中出现错误，异常退出，代码没有执行完。

现在学到信号这里，就可以明白，进程在执行过程中出现错误，本质上是收到了对应的异常信号，因为信号的默认动作是终止退出，所以当前进程就结束执行退出了。

举例：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;int main(){// 除零错误// int a = 10;// int b = 0;// int c = a / b;// cout << c << endl;// 野指针错误// int *p = nullptr;// *p = 10;// cout << *p << endl;// return 0;
}

这两个错误分别对应信号SIGFPE（浮点异常）信号编号为8，以及信号SIGSEGV（段错误）信号编号为11.

任何异常只会影响当前进程本身，并不影响整个操作系统以及其它进程。

这是因为CPU执行当前进程时，CPU寄存器中的数据只属于当前进程的上下文；

异常信号可以来自硬件异常（比如除0或者野指针错误），通常由CPU指令执行失败触发中断，系统是软硬件的管理者，系统就会知道对应的硬件错误信息，然后向当前进程发送对应的异常信号，当前进程收到异常信号，就会执行默认动作终止退出；而CPU则会获取下一个进程的上下文开始执行，所以并不会受到影响。

如果进程捕获了硬件异常信号但未终止退出，CPU会恢复该进程的上下文，使其从触发异常的指令位置继续执行。如果错误原因未修复，CPU调度执行该进程时，重新执行同一指令会再次触发异常，导致信号循环发送，形成死循环。

以上面的除0错误，进行捕捉但不退出为例：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process,pid: "<<getpid()<<" get a signal: " << signo << endl;// exit(0);
}int main(){// 硬件异常// 除零错误signal(8, handler);int a = 10;int b = 0;int c = a / b;cout << c << endl;return 0;
}

所以异常信号并不是为了让用户解决问题，而是提示用户当前进程终止退出的错误原因，尽管可以捕捉设置自定义动作，但是如果不退出就会一直报错陷入死循环，并不能解决什么问题，所以对于大部分处理最后都是要终止进程。

5.软件条件

异常不光只会由硬件产生，也可能会是软件。

比如之前讲解进程通信时的管道，当通过管道进行通信的两个进程，读端关闭，写端就不能再继续写入，系统就会给写入的进程发送异常信号然后终止退出。

进程由系统进行管理，管道也是由系统创建的共享资源，所以这种就属于软件上的异常；除了这个，还有向未打开的文件进行写入和读取时也是属于软件上的异常。

而软件上除了异常可以产生信号，还有特殊事件—软件条件，比如闹钟就是一种软件条件

在操作系统中，“闹钟”是一种定时器机制，主要通过SIGALRM信号（编号为14）实现：

闹钟是进程可以设置的一种定时器，当指定时间到时，系统会向该进程发送14号信号，在Linux中通过alarm函数实现。

#include <unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds);

参数：seconds指定多少秒后向该进程发送14号信号

返回值：闹钟响时剩余的秒数，如果没有则返回0；如果连续设置多个闹钟，返回值就是上一次闹钟的剩余时间。

进程可以捕捉该信号并自定义处理函数，默认处理会终止进程；闹钟的存在可以实现超时处理机制或者定时执行某些操作。

示例：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string>
using namespace std;void handler(int signo){cout << "process,pid: "<<getpid()<<" get a signal: " << signo << endl;
}int main(){// 软件条件---闹钟signal(14, handler);int n = alarm(5);while(true){cout << "I am a process, pid" << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

闹钟不属于软件异常，是系统层面上的一种软件条件。

上面5种就是常见的产生信号方式，最后总结一下：无论是哪种方式产生信号，本质上都是由系统发送给进程的，因为操作系统是进程的管理者。

三.补充内容–核心转储

下面图中是所有的普通信号，其中大多数信号默认处理动作都是终止退出，但是有的是Term类型的退出（比如2号，9号等），有的是Core类型的退出（比如8号，11号等）

其中core类型的终止退出表示具有核心转储功能。

1.什么是核心转储：

在父进程回收子进程，也就是调用waitpid函数时，用一个输出型参数int status用来表示子进程的退出信息。

其中有一个core dump标志位，如果当前进程收到的异常信号是Trem类型该标志位上就是0，Core类型的就是1。

用一段代码进行测试，父进程创建子进程后，在子进程运行时，向子进程分别发送Trem类型的2号信号和Core类型的8号信号，然后父进程回收子进程打印出status，观察两个不同类型信号最后status的core dump标志位。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace std;int main(){pid_t id = fork();if(id==0){// childint cnt = 100;while(cnt--){cout << "I am a child process, pid: " << getpid() << endl;sleep(1);}exit(0);}// fatherint status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid==id){cout << "child quit info, rid: " << rid << " exit code: " << ((status >> 8) & 0xFF) <<" exit signal: " << (status & 0x7F) <<" core dump: " << ((status >> 7) & 1) << endl;}return 0;
}

因为我这里使用的是云服务器，而云服务器上的core功能默认是关闭的，所以会看到两个都是0。

想要打开需要在命令行中输入下面的指令：

#查看特定的资源
ulimit -a#其中有一个core file size,大小为0，表示关闭
ulimit -c#开启core dump 设置对应的大小
ulimit -c 10240#关闭core dump 设置大小为0
ulimit -c 0

打开core dump之后再重新发送2和8号信号：

发送8号信号，core dump标志位变为1，并且生成了一个core.27353的文件。

打开core dump功能后，一旦进程出现异常，系统会将该进程在内存中的运行信息，dump（转储）到进程的当前目录（磁盘），并且形成core.pid文件，这就是核心转储功能。

2.为什么要进行核心转储：

一旦进程出现错误而异常终止，前面提到过异常信号只是让用户知道进程终止退出的错误原因，而核心转储可以具体定位原始代码中，在运行过程中哪方面出错误。

用一个简单的除0错误代码来测试：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace std;int main(){int a = 10, b = 0;int c = a / b;      // 11行这里的除0错误cout << c << endl;return 0;
}

使用g++编译时带上-g选项，编译后生成可执行文件并运行，最后除0错误而终止退出，生成一个core.1263文件，打开gdb进入调试

直接输入core-file core.1263后，就会自动打印出错误信息，收到8号信号而终止退出，出错原因在第11行。

核心转储功能加上调试，可以直接复现问题之后，直接定位到出错行，也就是先运行，再core-file事后调试。

所以核心转储功能就是方便进行事后调试。

以上就是关于信号第一部分：信号概念以及信号产生的讲解，如果哪里有错的话，可以在评论区指正，也欢迎大家一起讨论学习，如果对你的学习有帮助的话，点点赞关注支持一下吧！！！