linux信号| 学习信号四步走 | 学习信号需要打通哪些知识脉络？

linux信号——信号的概念与预备知识

打鱼又晒网

2276人浏览 · 2024-09-24 13:15:10

打鱼又晒网 · 2024-09-24 13:15:10 发布

前言: 本节内容主要讲解linux下信号的预备知识以及信号的概念，信号部分我们将会分为几个阶段进行讲解：信号的概念，信号的产生，信号的保存。本节主要讲解信号

ps:本节内容适合学习了进程相关概念的友友们进行观看哦

什么是信号

在我们生活当中，有许多都是信号的模式。 ——比如我今天点了一个外卖，我点了之后就在宿舍打游戏了。之后，外卖小哥到了，给我打了一个电话，敲我的门。那么这种情况，就叫做信号产生了。当我收到这个信号的时候，我可能有事情，那么我即便收到了信号，也不会立即处理，而是把事情忙完之后，再进行处理。也就意味着，信号暂时得被我记录下来。 ——我们取外卖的动作，就叫做信号处理；外卖小哥给我们打电话叫做信号的产生；而我们可能在做更重要的事情，比如打游戏，我们得等一等，所以我们会把信号产生的这个事情记录下来，在合适的时候进行处理，这个就叫做信号保存。 整个流程下来，就叫做信号产生到信号处理的生命周期！

常见的信号有哪些

我们的上课铃声，我们的门铃，取快递，爸爸妈妈都脸色不太好，古代的冲锋号，狼烟等等都叫做信号。

进程如何认识信号

虽然计算机内部有信号，但是我们的进程是怎么认识信号的呢？

对于进程来说，进程一定能够识别并处理信号的能力
并且，进程即便没有收到信号，也能知道那些信号该怎么处理。——这个信号处理能力是必须是属于进程内置功能的一部分。
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信号，因为进程可能在做更重要的事。
进程当信号产生，到信号被处理，这个中间一定有着时间窗口，所以进程必须有临时保存信号的能力。

所以，综上，我们就知道，什么叫做认识信号？——认识信号就是能够先识别信号，然后知道信号的处理方法。就比如我们人，我们知道了红灯，门铃这些信号该干什么，是因为我们记住了这些信号的识别方法和处理方法。

前台启动与后台启动

我们运行下面这个程序
#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>


int main()
{
  while (true)
  {
    cout << "i am a crazy process" << endl;
  }                                                                                                                                                                                  return 0;
}
然后运行结果如下:

我们除了进程再运行，其他看不出什么问题。但是呢，上面的进程一直在跑，我们按什么都没有用，所以这个时候我们ctrl + c，就可以让进程退出。

为了更好的测试我们这里让程序睡眠上一秒钟：
#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>


int main()
{
  while (true)
  {
    cout << "i am a crazy process" << endl;
    sleep(1);
  }                                                                                                                                                                                  return 0;
}
这个程序运行起来了，但是问题是我们再输入什么都没有用了。这是为什么？这是因为我们启动的进程是一个前台进程， 什么是前台进程，这种我们的进程启动后，我们的bash进程就不再接收任何指令了，这种进程，就叫做前台进程。

现在，我们在进程运行的时候输入一个&，这个的意思是后台进程。

因为进程的作用就是打印数据，所以他还会在命令行上打印数据，并且我们可以在命令行上输入指令， bash会接收这些指令。

但是问题是我们使用ctrl + c杀不掉这个进程了，如下图:

这是因为在Linux终端中， 一次登录中，一个终端，一般会配上一个bash。每一个登录，只允许一个进程是前台进程，可以允许多个后台进程。像这种后台进程只能使用kill -9 PID杀掉这个进程。

现在我们要说的是， 为什么我们运行一个myprocess后，再输入ls等指令就没用了呢？——这是因为我们./myprocess默认是前台进程启动。而我们说过，每一个登录，其实只允许一个进程是前台进程。要知道，我们的bash也是进程，而且也是前台进程！那么， 当我们的./myprocess后，我们的./myprocess就变成了前台进程，而bash变成了后台进程，那么再在bash里面输入就没有作用了。所以， 前台和后台的本质区别就是——谁来获取键盘输入！当我们运行myprocess之后，获取键盘输入的就是我们的myprocess了，所以再输入指令没有反应，因为myprocess不会对指令做出反应！因为bash收不到指令！

再回过头来看我们的这个问题——为什么我们myprocess &，让进程后台运行之后ctrl + c后杀不掉这个./myprocess进程呢？ ——这是因为当我们的后台运行myprocess，接收ctrl + c的进程是我们的bash进程， myprocess接收不到命令，也就不能杀掉这个进程。

那么问题又来了，我们的bash进程ctrl + c后，为什么不会被干掉呢？这是因为我们的bash进程内部对于ctrl +c做了特殊的处理。

那么，当我们myprocess后台运行的时候，随让我们同样可以看到打印，但是请问这个时候我们可以继续输入指令吗？

答案是可以的，就像上图，当我们后台运行myprocess进程，这个时候虽然会继续向显示器上面打印数据，但是当我们输入指令， 即便这个指令会被数据断开，但是bash命令会忽略这些后台打印的数据。

也就是说， 表面上看我们的指令是被扰乱的，但是其实这些指令并没有被扰乱，这个指令还是完整的输给了前台进程。我们为什么看到的是乱的仅仅是因为我们在进行输入的时候，字符在显示器上面被回显出来了，我们在输出上面互相干扰了。 ——我们输入有输入缓冲区，输出有输出缓冲区。输入缓冲区也就是bash的输入缓冲区，我们使用ls命令，本质上是ls输入到bash的输入缓冲区当中。并且，不光光是给输入缓冲区了，同时也给了输出缓冲区显示器上面给我们回显了。

每当我们登录上一个终端，每一个终端都会配上一个bash。一般情况下，bash是前台进程，他会获取终端的键盘输入，但是当我们执行一个进程的时候，它默认会变成一个前台进程， bash会变成一个后台。整个的在我们的进程一次登录当中，只允许一个进程是前台，多个进程是后台。

而之所以我们的ctrl + c能够杀掉前台进程，是为什么——ctrl + c是我们的键盘输入，是被前台进程收到的。 ——所以在进程ctrl + c的时候，本质是被前台进程解释成为收到了信号，这个信号是2号信号。

信号的种类

kill -l可以查看我们当前的linux系统一共支持多少信号。 ——注意，没有0号信号，没有32， 33好信号。一共62个信号。其中， 1 ~31被称为普通信号，后面的信号被称为实时信号。什么是实时信号——我们说过，一个信号产生了，那么我们可以不去立即处理，这种叫做普通信号，而一旦信号产生了，我们必须尽快处理，这种信号被称为实时信号。

我们的ctrl + c 其实就是出发了二号信号——SIGINT.

信号的处理方式

当我们收到一个信号的时候，我们会在合适的时候处理这个信号。信号的处理方式是什么——

        就比如当我们路过红路灯的时候，遇到绿灯，我们会走，红灯我们会停下来——这就是我们处理信号的默认动作；
        有一些人看到红灯之后不管红灯，直接闯红灯——这就叫忽略；
        红灯亮的时候，有些人天生就是显现包，红灯一亮，他就唱歌，他就跳舞等等，这些动作是他们自己按照自己的想法来的——这就叫做自定义动作。这种自定义动作通常叫做信号的捕捉。

我们上面说的收到二号信号的默认动作，就是终止自己。

如何捕捉信号呢？就是使用下面的函数：

这里的signal函数，谁要调用它，就要传送两个参数，第一个参数就是上面的signal标号。而后面的hander就是谁调用这个函数，执行这个信号的自定义捕捉动作！！！未来如果我们想收到一个信号，并在收到这个信号时，让他自定义去执行动作，就把要执行的动作和信号通过这个函数进行绑定！——即这个函数，是用来修改特性进程对信号的处理工作的。

第一个参数是int类型，传送的是信号的编号。确定的是哪一个信号。所以，我们就要传送这个信号的编号。下面是宏定义：

然后，定义下面的代码，并执行：

然后我们就会发现， 原本的ctrl + c会直接退出，但是现在不退出了，而是执行我们的自定义的动作。那么我们就验证了，我们的ctrl + c其实就是要发送信号。并且默认动作和自定义动作只会执行一个。

注：想要让它退出，就是要使用exit调用。

还有一个问题就是为什么我们使用signal的时候，要把它放在一开始，而不是放在后面或者中间位置呢？

这是因为signal只需要设置一次，往后进程的生命周期里面，所有的都有效。那么问题是——我们的hander方法， 是我们的在调用signal函数的时候就调用的， 还是后面遇到信号的时候再调用的呢？就比如我们和别人做约定，我们需要遇到红灯就唱歌。那么我们是定下约定的时候就唱歌呢？还是遇到红灯再唱歌呢？一定是我们遇到红灯时再唱歌，那么是不是如果看不到红灯，那么就永远不需要执行约定。——类似的，也就是说，我们后续没有收到这个信号那么这个新创建的方法，就永远也不需要调用。

注：有些信号可以被捕捉，有些不可以被捕捉。比如9号，19号信号。

键盘数据如何变成信号

根据冯诺依曼体系结构，我们的进程是不能直接访问硬件，也就是键盘的。它必须由它的管理者直接访问，所以我们键盘的按下，肯定是由操作系统第一个知道的。 ——操作系统是如何知道键盘被按下，并且把键盘里面的数据输入到自己里面的呢？也可以换一个说法就是操作系统是怎么知道键盘上有数据了的呢？现在看下面一张图：

想要知道键盘有数据，最好的方法就是操作系统定期去检查这个键盘。因为linux下一切皆文件，所以键盘也是文件， 键盘也有自己的文件描述符， 有自己的内核缓冲区。 键盘读取的本质，就是把键盘硬件的数据拷贝到键盘文件的缓冲区里面。

可是计算机中的外设太多，操作系统怎么知道我们应该向哪个外设中拿到什么数据呢？另外，我们知道，我们的cpu，虽然是不和外设直接打交道的，但是这是在数据层面。在控制层面，我们的cpu还是能读懂外设的。如何读懂外设？就是利用cpu周边的针脚，利用一种叫做中断号的概念！

针脚

我们的cpu上面有很多很多的针脚，这些针脚是集成在主板上面的，而我们的键盘显示器内存，各种设备也是插在主板上面的。我们对应的键盘，是直接能够和cpu连接到的。我们虽然cpu不从键盘当中读取数据，但是键盘能够从硬件层面上发送一个硬件中断。
也就是说，操作系统在进行我们工作的时候，就忙自己的，但是一旦键盘上面有数据，键盘就会通过硬件单元，把我们的键盘当中的信息发送给cpu。
那么我们要知道什么？我们要知道的是，从外设到内存，再到cpu，轮询的检查，对于操作系统的负担是很大的。所以操作系统不会去检查硬件里面是否有数据，而是硬件有数据了，通过硬件中断，来给我们的cpu发送中断，来让操作系统完成拷贝。每一种中断，都有一种中断号的概念。
这个中断号及类似于123456789这种数字，假如我们的键盘的中断号是1，未来他有数据，就直接通过cpu连接的针脚，向cpu内发送某个中断号，然后针脚接收中断号的高低电频，由cpu来解释这些电频，确定中断号是几。所以，也就是说，当键盘中有数据， cpu就能获取这个键盘的中断号，他就记下来了。——这个过程更进一步理解就是：我们知道cpu里面有寄存器，可以保存数据。 cpu中的寄存器凭什么可以保存数据？本质上就是对我们的寄存器在充放电的过程，键盘给cpu发送高低电频，我们的针脚能够识别这些高低电频，而cpu里面的寄存器里面有一个个硬件单元，这些高低电频给寄存器里面的硬件单元充放电。并且这些电频有高有低，到了软件层面，就被解释成为了一个个二进制。

中断向量表

在我们的软件层面上，我们的操作系统内，比较靠前的位置，当操作系统开机的时候，就会生成一张中断向量表。

这个中断向量表里面是方法的地址，主要是包括直接访问外设的方法，主要是磁盘，还有各种显示器，键盘的设备。这里面其实放着的就是函数指针，所以他会指向操作系统当中的某个位置。

所以，我们的外设，一旦获取了数据，就会通过中断单元，将数据写到cpu的寄存器当中， cpu的寄存器就获得了一个中断号， cpu拿着中断号去操作系统的中断向量表当中寻找外设的方法。然后执行这个方法，而这个方法，才是我们的数据从外设拷贝到内存中的方法。操作系统在将数据从外设拿到内存的时候就会判断。判断这个数据是数据还是控制，如果是控制，比如ctrl + c。呢么操作系统就会把ctrl + c转化为2号信号，发送给进程。进程进而直接终止。

这里有一个概念，叫做信号的产生和我们的代码的运行是异步的。这是为什么？
就比如我们老师给我们上课，如果老师这个时候口渴了，想要喝水，他就让学生A去买水。这个时候老师就和全班同学说先上自习，等张三回来再上课。这个过程，就叫做同步的。但是第二天，老师又口渴了，老师又让学生A去买水，但是这个老师这次开始不等张三了，他就继续上课。张三呢，随时随地可能回来，老师不管，老师就做他自己的工作。 两人之间你做你的，我做我的，互不干扰，这叫做异步。 ——也就是说，我们今天再运行我们的代码的时候，他什么时候产生我们并不知道。他可能随时随地地产生，但是我们不需要等待这个信号。这就说信号和我们的代码的执行是异步的。 ——这就有了信号的概念——信号是进程之间时间异步通知的一种方式，属于软中断！

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