系统编程——信号通信

合集 - 系统编程(5)

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4.系统编程——信号通信2024-05-31

5.系统编程——IPC信号量集2024-06-02

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信号通信

信号（英文翻译为signal）是Unix系统、类Unix系统（比如Linux系统）以及其他POSIX兼容的操作系统中用于实现进程间通信的一种方式。信号是一种异步通信机制。

信号的发生

1. 按键触发

按键触发指的是用户按下某个快捷键，然后由内核发送指定的信号给进程，比如用户准备在Linux系统的终端输入shell命令，则会先开启一个Terminal终端，然后在终端中执行了一个可执行文件，此时操作系统会创建一个进程，并把可执行文件的代码段和数据段加载到进程空间中，并分配CPU时间片给到该进程，此时进程会从就绪态进入运行态。

但是在进程执行过程中用户打算提前结束进程，所以用户在终端按下快捷键Ctrl+C，键盘就产生了一个硬件中断，操作系统会把Ctrl+C解释为SIGINT信号并记录在进程的PCB中。

此时CPU会暂停执行用户空间中的代码，然后去执行内核空间中的硬件中断，当硬件中断执行完成后CPU会返回用户空间，但是CPU需要先处理记录在进程PCB中的信号，而CPU发现此时进程PCB中的信号是SIGINT，该信号含义是终止进程，所以进程会切换到终止态，相当于结束进程。

2. 系统异常

硬件异常产生的信号会由系统硬件进行检测，比如进程中执行除以0的指令会导致ALU异常，或者进程中访问了非法内存地址会导致MMU异常，此时内核会发送给进程相关的信号。

3. 调用接口

Linux系统中提供了一个名字叫做kill()的函数接口，用户利用该接口可以实现主动向指定进程发送信号，用户可以通过man 2 kill查阅函数的使用规则。

第一个参数是目标进程的PID
第二个参数则是要发送的信号名称

除了kill()函数之外，Linux系统还提供了一个名称叫做raise()的函数接口，两者的区别是kill()函数可以向指定的进程发送信号，而raise()函数只能向当前进程发送信号。

下列是信号的名称

可以发现Linux系统中的信号编号为1-64，其中编号为1-31的信号为普通信号，编号为34-64的信号为实时信号。

普通信号

Linux系统中的普通信号也被称为不可靠信号，指的是当进程接收到了很多的信号请求但是又不能及时处理时，不会把信号形成队列，而是把其余未被处理的信号直接丢弃，只留下一个信号。Linux系统中的普通信号是从Unix系统继承过来的。

实时信号

Linux系统中的实时信号也被称为可靠信号，指的是当进程接收到了很多信号请求但是又不能及时处理时，会把未处理的信号形成队列，然后按照顺序依次处理，不会丢弃信号。Linux系统中的实时信号是新增加的。

4. 发送指令

用户除了在程序中调用kill()函数发送信号之外，还可以直接在终端中使用shell命令：kill 给指定PID的进程发送信号，其实kill命令也是调用kill函数来实现信号的发送。如果kill命令没有指定信号名称，则默认发送SIGTERM信号，该信号表示终止进程。

5. 内核检测

当内核检测到某种软件条件发生时也可以通过信号通知进程，例如内核检测到闹钟超时则会产生SIGALRM信号，或者当内核检测到进程向读端已关闭的管道写数据时就产生SIGPIPE信号。

信号的处理

当进程接收到信号之后，可以分为三种情况来对信号进行处理，分别是默认、捕捉和忽略。

1. 默认处理

由于Linux系统中已经对普通信号的含义进行了规定，也就是当进程接收到某个信号后，如果用户没有自定义信号的执行动作，则会采用默认处理的方式对信号进行响应。比如进程接收SIGTERM信号后则会被终止。

2. 捕捉信号

信号捕捉指的是在进程接收到某个指定信号之前，先设计好该信号响应函数，并把该信号和该响应接口进行关联，这样当进程接收到信号之后，就不会执行信号的默认响应动作，而是执行用户指定的响应动作。

通过调用signal函数实现

第一个参数指的是目标信号的编号（可定义出SIGKILL和SIGTOP信号以外的，常用SIGNUSR1和SIGNUSR2）
第二个参数指的是信号的处理函数的地址，是一个函数指针类型，void (*sighandler_t)(int)，用户需要按照该类型定义信号处理接口。

3. 忽略信号

忽略信号指的是当进程接收到某个信号后，并不打算执行该信号的相关动作，而选择直接丢弃该信号。用户可以通过调用signal()函数，只不过函数的第二个参数设置为SIG_IGN即可。

4. 屏蔽信号

屏蔽信号指的是进程压根不接收某个信号。

信号的阻塞

有时进程会接收到很多来自其他进程的信号，但是该进程暂时不打算对某些指定信号做出响应，所以需要暂时“屏蔽”某些信号。比如程序在执行过程中不打算受到用户Ctrl+C的强制结束进程的影响，所以进程需要阻塞该信号，当该信号到达时对它进行屏蔽，当做“看不见”。

Linux系统中提供了一个名称叫做sigprocmask()的函数接口来设置信号集的属性，使用规则如下：


阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

信号的挂起

当进程被系统调度程序进行调度，得到CPU资源进入运行态时，才有能力处理其他进程发送过来的信号，当进程处于其他状态时，就算其他进程发送信号过来，该进程也无法处理。
所以进程中就提供了一个挂起信号集，所有被发送到这个进程的信号首先被放入这个信号集，挂起信号集存储了进程的待处理信号，这些信号必须要等到进程被系统调度的时候才能被进一步响应。