操作系统 —

文章目录

- - 1. 信号的感性理解
  - 2. 发送信号的方式
  - - 2.1 键盘发送信号
    - 2.2 进程异常产生信号
    - 2.3 调用系统函数发送信号
    - 2.4 触发软件条件，发送信号
  - 3. 信号的控制
  - - 3.1 先来学习几个概念
    - 3.2 信号发送的本质
    - 3.3 信号的阻塞
    - 3.4 信号的捕捉初识
    - 3.5 信号捕捉的本质
    - 3.6 信号集操作函数
  - 4. 信号的递达
  - - 4.1 用户态和内核态理解
    - 4.2 操作系统，发出信号到进程执行信号全过程
  - 5. 信号的总结
  - 6.补充知识关键字 volatile

前言： 生活中有各种信号，需要我们去识别并做出相应的反应。进程也是如此，操作系统给进程发信号，进程会根据信号来做出相应的动作。信号是有多个的，比如老板现在打电话过来，让提交一下PPT，同时外卖小哥也打来电话，说下楼取一下外卖；这就需要人去衡量一下轻重缓急了，当然是吃饭重要，所以忽略老板的信号，直接去执行外卖小哥给的信号。本章呢，会很细节的带大家了解信号，控制信号，解密信号的处理原理。灰常银杏。

1. 信号的感性理解

信号的产生，是操作系统发给进程的。
进程在没收到信号前，是否可以做到识别以及处理将要来到的信号？当然可以，就好比人，看到红灯知道要停车，这是人通过学习而掌握的常识，进程也一样，对于如何处理信号，是它们的常识，本质上大佬在写进程源代码时，就设置好了对信号的识别。
信号不会被立即处理，而是在合适的时候，去处理信号。就好比：上午母亲说记得收衣服，我收到这个信号了，我不会立即去收衣服，而是等衣服晾干了(合适的时机)，才去收的衣服。当然这是感性的理解，后面会将到什么时候对于处理信号才是合适的时机。
进程收到信号后，会保存起来，以备在合适的时机，去处理。
保存在哪呢？进程控制块 struct task_struct 之中，所以信号本质也是一个数据。
信号发送的本质：向进程控制块中，写入信号数据。
信号发送的方式是多样的，但是本质都是操作系统向进程发送的。

我们可以先使用kill -l ，来查看信号列表：

在这里插入图片描述

本章只研究 1~31信号，这是写时信号， 43 ~ 64不是写时信号，先不考虑。其实如果想要了解所有这些信号的细节可以使用 man 7 signal ，来查看一下：

在这里插入图片描述

2. 发送信号的方式

通过键盘发送信号，只针对前台进程
进程异常，产生信号
通过调用系统调用接口函数，向进程发送信号
满足某些软件条件，也可以产生信号

2.1 键盘发送信号

常见的有 ctrl + c ，ctrl + z ，ctrl + ;都是用来终止进程的。

比如：我写一个死循环打印”hollow ly“

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{while(1){printf("hollow ly\n");sleep(1);}return 0;
}

接下来，运行我使用键盘，终止进程：

在这里插入图片描述

2.2 进程异常产生信号

当进程出现异常时，会产生信号，一般这种情况我们叫做程序崩溃，其实说白了，程序崩溃的本质就是操作系统，通过发送信号，来干掉这个程序。具体崩溃的原因，也可以通过获取信号的方式，来知晓；大家在学习进程等待中，不知道，是否还记得Core Dump 标志位 ?

在这里插入图片描述
就这个，code_dump标志位，这次来好好讲解一下它：

程序崩溃，一般情况下，我们不只想要知道它崩溃的原因，还想要知道它崩溃在哪行代码上，这就需要设置
core dump ，如果进程出现异常，它会接收到信号，从而设置进程退出收到的信号信息在上图status 中的 0~7位，存的就是接收的信号信息；如果，想要知道程序，崩溃在哪行代码就需要设置 core dump。code_dump标志位表示的就是: 有core dump 信息为 1，没有core dump 信息为 0。

我来举个例子： 3 / 0 ，用 0作除数，肯定会导致进程异常退出。

#include<stdio.h>int main()
{int a =3;a /=0; return 0;
}

编译时会报错，不过没关系，编译好了运行时，异常退出，我们看一下运行结果：

在这里插入图片描述

好了，明显是程序崩溃了，我先要知道崩溃在何处？利用 core dump ，默认情况下，core dump 是 0，没有被设置，可以用 ulimit -a 查看：

在这里插入图片描述

所以先得设置 core dump，使用 ulimit -c 1024，再次查看一下：

在这里插入图片描述

我们再次运行程序，是这样的结果：

在这里插入图片描述

表明，已经有了core dump信息，而且当前目录下，还会有一个core. 文件：

在这里插入图片描述
可以查看一下，这个core. 文件，里面全是二进制，其实是调试信息：

使用gdb来调试可执行程序，然后输入 core -file core文件名，得到程序崩溃在哪处以及崩溃原因：

在这里插入图片描述

所以综上：进程异常退出的本质是发送信号给进程，如果想要知道程序崩溃在何处？方便事后调试，我们可以设置core dump，然后再次运行程序，就会有一个core file，里面有调试信息，最后使用gdb进行调试程序，输入
core -file core文件名，就可以看到详细的进程崩溃原因。

2.3 调用系统函数发送信号

kill 命令就是用的kill函数实现的，比如要杀死某个进程 kill -9 PID:

比如：我运行起来test，用 kill -9 杀死这个进程

在这里插入图片描述

介绍发送信号的三个接口函数：

int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);
void abort(void);

在这里插入图片描述
kill()可以向任意的进程发送信号：

kill 的参数：第一个参数 pid -> 向某个进程发送信号的PID，第二个参数 sig -> 发送的信号
kill 的返回值：返回 0表示成功，返回 -1 表示失败

在这里插入图片描述
raise()只能向自己发送信号

raise 的参数：发送的信号
raise 的返回值：返回 0表示成功，返回 -1 表示失败

在这里插入图片描述

abort()函数，很简单粗暴，就是让当前的进程，异常退出。

我们来验证一下：对于raise()和abort()，我姑且不验证了，太简单了。

我们来模拟实现一下 kill 指令：

#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 3){ printf("输入格式有误: 请输入 kill PID signal\n");return 0;}int PID = atoi(argv[1]);int sn = atoi(argv[2]);int ret = kill(PID,sn);if(ret == 0){printf("指令发送成功\n");}else {printf("指令发送失败\n");}return 0;
}

比如：我现在形成的可执行文件是 kill 。那么我在命令行运行 ./kill PID signal 就能够发送信号了。

2.4 触发软件条件，发送信号

比如之前学到命名管道，如果读端已经关闭，写端还在写入，那么系统会发送信号 13 来终止进程。

现在主要讲：alarm函数和SIGALRM信号。

在这里插入图片描述
alarm()函数的作用是，设置一个时间，时间一到就会发送信号SIGALRM，默认行为是终止当前进程。

alarm()的参数：seconds，设置一个秒数，相当于计时；如果seconds设置为0，那么取消之前设置的alarm。
alarm()的返回值：返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。

举个例子：我们看看 1s 可以打印多少个数字

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>int main()
{int n = 1;alarm(1);while(1){printf("%d\n",n);n++;}return 0;
}

在这里插入图片描述

3. 信号的控制

3.1 先来学习几个概念

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。
进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.
注意,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。

信号的流程：
操作系统发来信号，进程保存信号，看这个信号是否被阻塞？

阻塞那么就先保存着，不阻塞那么就在合适的时机递达信号。

递达后有三种情况：执行信号的默认行为，忽略信号，执行自定义的信号行为。

注意: 阻塞 vs 忽略

阻塞根本就没有递达，一直保存着。
忽略是已经递达，只不过进程不理会它，进程不保存此信号。

3.2 信号发送的本质

信号发送的方式多样，但是本质是操作系统向进程控制块中的信号位图，进行写入。感觉还是抽象，我们来看看这些信号:

在这里插入图片描述
为啥是 1 ~ 31号为写时信号，信号[1,31]这其实是有规律的，能想像成位图嘛？当然可以！！！

假设有一个无符号整型 int ，默认为 0，保存在进程控制块中，那么就是：

在这里插入图片描述
操作系统，发来信号：1。

那么这个int 的第一位变成 1。
在这里插入图片描述
操作系统，再发过来信号2，就将第二个比特位设置为 1。

在这里插入图片描述
对，进程就是这样来保存信号的。

3.3 信号的阻塞

信号的阻塞，就会导致信号，不会被递达，也就是不会被进程执行，一直被存储在进程控制块中，存储就是对应的位图设置为 1 。昂，信号阻塞是这样，但是进程是如何判定这个信号要被阻塞呢？答案是也是靠位图，那么必定也有一个位图用来判断信号是否被阻塞，设置为 0 表示为不阻塞，设置为 1 表示阻塞。

3.4 信号的捕捉初识

信号没有被阻塞，递达到进程后，进程有三种处理：

以默认信号方式处理
忽略此信号
自定义信号来处理

如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。也就是第三种情况，学习一个函数 signal() ，它是就是用来捕捉信号，并且还可以自定义信号的行为：

在这里插入图片描述

signal()的参数：第一个参数 signum 是要捕捉的信号，可以是宏，或者是信号值；第二个参数是一个函数指针，也就是我们要进行自定义信号的行为，看一看上面，这个参数一个 void (*)(int)型函数指针。
signal()的返回值：返回的是我们自定义的函数指针，如果出错就返回 -1 。

例子：我们来捕捉一下 2号信号，也就是 ctrl + c 。

#include<stdio.h>
#include<signal.h>void header(int sig)
{printf("get a sig :%d\n",sig);
}int main()
{signal(2,header);while(1);return 0;
}

header()就是我们自定义的信号行为，那么现在程序运行起来，我们按 ctrl + c，发送 2号信号，就会自定义2号信号的行为。

运行一下：

在这里插入图片描述

很明显，我按下 ctrl +c，信号2 已经被自定义了。

还有一个函数. sigaction()，可以用于捕捉信号，不过需要我们定义一个结构体：

在这里插入图片描述
结构体：

在这里插入图片描述

sigaction()的参数：第一个参数 signum是我们要捕捉的信号；第二个参数 act是输入型参数，在这个结构体中，我们关注第一个结构体成员和第三个结构体成员，很明显sa_handler是一个函数指针，sa_mask表示要额外屏蔽的信号，函数调用结束会恢复被额外屏蔽的信号；第三个参数 oldact 是输出型参数，会保存信号之前的处理动作，不关心的话，可以设置为空。
sigaction()的返回值：成功返回0，出错返回 -1。

例子：捕捉 2号信号，并额外屏蔽 3号信号

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>void header(int sig)
{printf("get a sig:%d \n",sig);
}int main()
{
// signal(2,header);
// struct sigaction at;
memset(&at, 0, sizeof(at));at.sa_handler = header;sigemptyset(&at.sa_mask);
sigaddset(&at.sa_mask, 3);sigaction(2,&at,NULL);while(1);return 0;
}

3.5 信号捕捉的本质

信号的处理可以按照默认情况，也可以忽略，也可以捕捉自定义行为。这是怎么办到的？

说明原因：信号是否阻塞，信号的保存，信号的行为其实用的是三张表

在这里插入图片描述

这幅图，非常重要，大家好好理解。

其实创建进程时，handler块就已经保存，所有的信号的默认处理方法，存的都是函数指针；这幅图应该横着看，假如传来 1号信号，先看看block位图的第一个比特位是否为 1 ，为 1就是阻塞，为 0就没有阻塞；pending位图第一个比特位设置为 1，如果为阻塞态那么此比特位一直是 1，表示一直保存，直到解除阻塞并递达后才置为 0 ；如果不为阻塞态，那么就在递达后从 1 置0；handler可以看作一个函数指针数组，数组的下标就是对应的信号，那么信号捕捉的本质是什么？那就是对handler指针数组中的内容进行重写，改变了这个handler数组中信号对应的函数指针，就是所谓的信号捕捉。

在这里插入图片描述

3.6 信号集操作函数

其实就是对位图的操作，我们如果能够操作 block位图，就控制好了对信号是否阻塞？我们如果可以操作 pending位图，就可以查看到当前未决的信号；如果可以修改handler表中的函数指针，就完成信号捕捉！

我们一个一个的学：

在这里插入图片描述

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo); 
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
int sigpending(sigset_t *set);
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);

首先，先看参数中有 sigset_t 类型，这个类型，我们是不能够自己来进行操作的，比如赋值，算术运算等都不可以，它只能通过函数接口，来进行初始化，或者是赋值等，这个类型，可以看作是位图。

(1) sigemptyset(sigset_t *set) 是用于初始化位图的

初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含任何有效信号。

(2) sigfillset(sigset_t *set)也用于初始化位图

函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置为 1 ,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。

(3) sigaddset (sigset_t *set, int signo) 和int sigdelset(sigset_t *set, int signo) 是用于添加信号，删除信号，使用前需要对此信号集初始化

sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。

(4) sigismember（const sigset_t *set, int signo) 是用于判断的

sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

以上的操作，相当于操作位图结构。

(5) int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset) 用于查看 block表或者修改 block表

先看参数：

第一个参数 how ：表示要如何对当前进程的block操作，有三个宏定义，可供传参

在这里插入图片描述

SIG_BLOCK : 包含了要添加当前信号屏蔽字的信号，相当于 mask |= set 。
SIG_UNBLOCK ：包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于 mask = mask& ~set。
SIG_SERMASK : 设置当前信号屏蔽字为set所指向的值，相当于 mask = set。

第二个参数 set ：是我们传进来的位图结构，根据how的指示来进行对 block的操作。
第三个参数 oset ：如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出，是对以前屏蔽字的记录，屏蔽字就可以理解成记录阻塞的位图结构。

其返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

(6) int sigpending(sigset_t *set)

参数 set 是一个输出型参数：

读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。调用成功则返回0,出错则返回-1。

(7)int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact) 这个函数上文有讲解

需要对以上强调一点：并不是所有的信号都是可以被屏蔽和捕捉的，这是好理解的，如果所有的信号都能被屏蔽，被捕捉，那么就能够搞出一个金刚不坏的进程，这是操作系统不想看到的，所以像 9号信号，它是无法被屏蔽，捕捉的。

例子：现在我要屏蔽一下 2号信号：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>int main()
{sigset_t set;//初始化 set sigemptyset(&set);
//添加2号信号，被block阻塞sigaddset(&set,2);sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,NULL);int count =10;while(count){printf("count is: %d\n",count);sleep(1);count--;}// 解除阻塞sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&set,NULL);while(1);return 0;
}

运行时，我们可以看到，2信号确实被屏蔽了，但是10s后，我们之前发送的 2 信号，不被屏蔽了，就会被抵达，并执行2信号的默认行为：

在这里插入图片描述

现在要求，不是说过，信号被阻塞，无法递达，但是会在pending位图中保存吗？我想要看一看，到底有没有被保存，所以我们需要利用函数接口 sigpending()，以及sigismember() 。

我们实现一下，还是刚才的例子，只不过要查看一些 pending位图：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>void show_pending(sigset_t *set)
{printf("curr process pending: ");int i=0;while(++i){ if(sigismember(set, i)){printf("1");}else{printf("0");}if(i == 31){break;}}printf("\n");
}int main()
{sigset_t set;//初始化 set sigemptyset(&set);
//添加2号信号，被block阻塞sigaddset(&set,2);sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,NULL);int count = 0;sigset_t pending;while(1){sigemptyset(&pending);sigpending(&pending);show_pending(&pending);sleep(1);count++;if(count == 10){sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, NULL);//2号信号的默认动作是终止进程，所以看不到现象printf("恢复2号信号,可以被递达了\n");break;}} return 0;
}

在这里插入图片描述

4. 信号的递达

上文讲过，信号是怎么传送的？本质是操作系统想进程发送信号。信号是如何控制的？有三张表，分别控制阻塞，保存，信号行为。信号是怎么递达的？上面说过，在合适的时候，信号会递达(进程执行信号)，什么是合适的时候？递达后，可以处理默认信号行为，捕捉后的行为，或者忽略，这个通过学习信号捕捉，大家都懂了，就是通过替换 handler表中的函数指针，现在的问题就是：进程如何判断现在是处理信号的合适时机！！！

先给出结论：信号递达的合适时机 -> 从内核态切换回用户态就会进行信号检测和信号处理，也就是检查那三个表 。

4.1 用户态和内核态理解

可以复习一下，我们知道进程都是有虚拟地址空间的，在高低出有内核空间，所以内核的数据代码在内核空间。毕竟是虚拟的，每个进程都有独立的的页表，但是我想说的是，所有的进程都是共享的同一份内核页表，为什么？因为无论进程如何切换，内核就这有一个。为什么要搞一个内核空间呢？因为要区分内核和用户，操作系统是不信任用户的，所以你只有是内核态，才能访问内核的代码和数据。

所以：

内核态：使用内核级页表，只能访问内核的数据和代码
用户态：使用用户级页表，只能访问用户的数据和代码

我可以简易的画图，帮助大家理解：

在这里插入图片描述

那么何时，会由用户态切到内核态呢？比如调用系统函数
在这里插入图片描述

4.2 操作系统，发出信号到进程执行信号全过程

进程在运行，操作系统发来信号，进程就会中断或者异常，从用户态切到内核态，去查看是什么信号？操作系统，你要让我做什么？有点类似，你在吃饭，公司给你打了个紧急电话，你火速从一个干饭人员，变成一个员工，跑到公司，看看发生什么事了？

在这里插入图片描述

现在开始查这三张表：
在这里插入图片描述

自定义的话，需要返回到用户态去执行自定义的函数，然后返回到内核态，从内核态再返回。这有点有始有终的感觉，你开始是从内核进来的，那么也从内核态出去。

画图就是：

在这里插入图片描述

那么我有个疑问：这个过程有多少次用户和内核的切换？

来个妙招：

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5. 信号的总结

以上就是操作系统中，信号的讲解。

我们从信号的发送，信号发送中，信号发送后，种种细节都说了说。

在这里插入图片描述
就是这样的逻辑，走下来的。当然，其中也穿插了不少补充知识。

6.补充知识关键字 volatile

volatile 在C语言中有所学习，到那时可能有点小懵，在这里学习，就感觉很轻松了。

我先编写一个简单的程序：

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>int flag =0;
void header(int sig)
{printf("get a sig:%d \n",sig);flag =1;printf("flag 0 -> 1\n");
}int main()
{signal(2,header);while(!flag);printf("进程退出\n");return 0;
}