序言
在本篇内容中，将为大家介绍在操作系统中的一个重要的机制 — 信号。大家可能感到疑惑，好像我在使用 Linux 的过程中并没有接触过信号，这是啥呀？其实我们经常遇到过，当我们运行的进程当进程尝试访问非法内存地址时，我们的进程会被中断，这是因为操作系统向该进程发送了中断信号。
Linux 操作系统离不开信号机制，在这篇文章中，让我们走进信号，了解信号的从哪里来，又到哪里去。
1. 信号的概念
1.1 定义
信号是操作系统向进程发送的一种通知，表示某个特定事件已经发生。在Unix、类Unix 以及其他系统中，信号被广泛使用。
1.2 特点
信号具有如下的特点：
异步性：信号的产生对进程来说是异步的，即进程无法预知信号何时到来。通知机制：信号是一种软件中断(由软件程序触发的中断方式)，用于中断进程的正常执行流程，使其处理特定事件。进程间通信：虽然信号主要用于异常处理和系统调试，但也可以用于进程间的基本通信。
1.3 种类
在 Linux 系统下，使用指令：kill -l 即可查看所有的信号：
信号是使用宏定义的，每个信号前面的数字，就是该信号宏对应的值。
前 31 个信号为常规信号，其余为实时信号。在本篇文章中，我们主要讨论前 31 个常规信号。
你也可以使用指令: man 7 signal 查看每一个详细信息：
补充知识点：Core && Term
在描述信号的字段中，有一个叫做 Action 的特征，他的值大多都是 Core Term 这是什么呢？
Term
term 是 terminate 的缩写，表示默认动作是终止进程。当进程接收到一个默认动作为 term 的信号时，进程会被立即终止。
Core
core 表示 默认动作是终止进程并生成一个核心转储（core dump）文件。核心转储是一个包含进程在终止时的内存映像的文件，它对于调试程序非常有用，因为它 提供了进程终止时的状态信息。
咦？就比如，SIGSEGV 段错误 当我的程序非法访问被终结时，被没有产生传说中的核心转储文件呀？这是因为你的服务器默认关闭了该功能，使用指令 ulimit -a 查看：
现在我们使用指令 ulimit -c 4096 开启该功能：
现在我们运行下一段程序：
8 int main()9 {10 11 int *ptr = NULL;12 *ptr = 1;13 14 return 0;15 }
程序不负众望地报错并退出了，产生了一个文件：
这个文件可以干嘛呢？当我们的程序出现异常时，相当该文件保存了案发现场，具体的用法是：
- 首先使用
gdb调试你的程序：
- 之后输入指令
core-file your_core
可以看到，直接就复原了事故现场。
区别
- 进程终止：
term信号会终止进程，但不生成核心转储文件。term信号通常是用于请求进程正常终止的情况。 - 调试信息：
core信号不仅会终止进程，还会生成核心转储文件，这包含了进程的内存映像、寄存器状态、堆栈跟踪等信息，用于调试目的。
2. 信号的产生
信号是从哪里产生的呢？虽然最后都是操作系统来执行对一个进程发送信号，但是是谁告诉操作系统这样做的呢？
2.1 用户操作 — kill 指令
当我们运行一个程序时，可以通过指令 kill 来让操作系统对该进程发送相应的信号，就比如，我们可以手动发送 SIGKILL 9号 信号将该进程终结，这里有一个程序：
1 TestSig1.cc X 1 #include <iostream>2 #include <unistd.h>3 4 5 int main()6 {7 while(true)8 {9 std::cout << "I am Running, my pid is " << getpid() << std::endl;10 sleep(1);11 }12 return 0;13 }
该程序会每秒打印相应的内容，现在我们可以使用相关的指令 kill -9 [pid] 来杀掉该进程：
可以看到该进程被杀掉了！！！
2.2 用户操作 — 按键操作
我们也可通过按键来让操作系统发送相关的信号，就比如我们平时终止一个进程的方式更多的是通过键盘按键，就比如 ctrl + c ：
其实这个按键对应的就是 3 号信号 SIGQUIT。
2.3 用户操作 — 系统调用
操作系统提供一个系统调用 int kill(pid_t pid, int sig); 该函数你可以想指定进程发送信号：
pid: 表示要发送信号的进程IDsig: 表示要发送的信号- 返回值：成功返回 0 ，失败返回 -1 ，错误码被设置
还有一个函数是 int raise(int sig);，该函数是向当前进程发送指定信号，简单来说，相当于简化的 kill => kill(getpid(), int sig);
2.4 触发软件条件
在之前管道的学习中，我们了解到如果 读端被关闭了，写端一直再写，那么操作系统就会认为这是一个坏掉的管道，就会发送 13 号信号 SIGPIPE 终止该进程，这就是触发了某种软件条件。
现在，在这里先向大家介绍几个非常重要的函数：
signal 函数
该函数允许程序员定义当特定信号发生时，程序应该如何响应, 简单说，这个函数用于捕获特定信号，然后执行指定操作的。sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);:
signum：指定要处理的信号类型。注意，SIGKILL和SIGSTOP这两个信号不能被捕获、阻塞或忽略。handler：指定信号的处理方式。它可以是一个函数指针，指向一个用户定义的信号处理函数；也可以是SIG_IGN，表示忽略该信号；或者是SIG_DFL，表示采用信号的默认处理方式。- 返回值：成功时，
signal函数返回之前为该信号设置的信号处理函数的指针。如果之前没有为该信号设置过处理函数，则返回SIG_DFL。失败时，返回SIG_ERR，并设置errno以指示错误原因。
看着描述这么多，其实用起来不复杂，比如，现在我要捕获 2 号信号 SIGINT，他的默认操作是退出，现在我不想要推出，想要执行我的逻辑：
1 TestSig1.cc X 1 #include <iostream>2 3 #include <unistd.h>4 #include <sys/types.h>5 #include <signal.h>6 7 void signal_handle(int signum)8 {9 std::cout << "I got you signal: " << signum << std::endl;10 }11 12 int main()13 {14 15 // 2号信号的捕获16 signal(2, signal_handle);17 18 while(true)19 {20 std::cout << "I am Running, my pid is " << getpid() << std::endl;21 sleep(1);22 }23 return 0;24 }
现在我们使用 ctrl + c 已经不能终止该进程了：
你也可将 signal(2, signal_handle); 中的函数换成 SIG_IGN 这样就会忽略该信号。
现在我有个想法就是将全部信号都捕获，在写个死循环，是不是就没有人把我停下来了！！！我们能想到的，人家肯定也想到了，规定 9 号信号 SIGKILL 和 19 号信号 SIGSTOP 这两个信号不能被捕获、阻塞或忽略。保证系统的稳定性和管理员的控制权。
alarm 函数
大家为了早起都设置过闹钟吧，闹钟的作用就是时间一到就提醒我们执行某件任务。在 Linux 中的闹钟 alarm 也是一样的，我们设置一个定时，当时间一到执行某项任务，unsigned int alarm(unsigned int seconds);：
seconds：定时器应该等待的秒数。如果seconds是 0，则任何当前设置的定时器都会被取消（你可以同时设置多个闹钟），但不会发送SIGALRM信号。- 返回值：如果之前已经设置了定时器，
alarm函数返回之前设置的剩余时间（秒），直到定时器到期。如果之前没有设置定时器，则返回 0。
当 alarm 定时器到期时，会向进程发送 SIGALRM 信号，终止进程：
12 int main()13 {14 15 // 设置一个闹钟，执行默认操作16 alarm(2);17 18 while(true)19 {20 std::cout << "I am Running, my pid is " << getpid() << std::endl;21 sleep(1);22 }23 return 0;24 }
两秒之后，进程自动终止：
但更多情况下，我们想要闹钟解释后执行我们的逻辑，而不是终止进程，那咋办呢？ 捕获该信号，自定义处理信号，这就需要我们上面说的 signal 函数了：
7 void signal_handle(int signum)8 {9 std::cout << "Your alarm clock is ringing." << std::endl;10 }11 12 int main()13 {14 15 // 设置一个闹钟，执行默认操作16 alarm(2);17 // 捕获闹钟信号18 signal(SIGALRM, signal_handle);19 20 while(true)21 {22 std::cout << "I am Running, my pid is " << getpid() << std::endl;23 sleep(1);24 }25 return 0;26 }
现在闹钟时间到了，就不会终止进程啦！但是，我还有一个疑问，你这个闹钟只能执行一次呀，之后就失效了，我想要一个一直生效的定时任务，怎么做到呢？当捕获并执行自定义函数时再设置一个闹钟不就好啦：
7 void signal_handle(int signum)8 {9 std::cout << "Your alarm clock is ringing." << std::endl;10 alarm(2);11 }
这样就得到一个持续的定时任务啦：
在这里的闹钟就是一个触发了软件条件（倒计时），从而产生信号发送给进程！
2.4 硬件异常
段错误
在我们的程序中，很可能涉及到 段错误（非法内存访问），具体触发错误的细节如下：
- 现代计算机使用内存管理单元（
MMU）来管理内存。MMU负责将虚拟地址（程序使用的地址）映射到物理地址（实际内存地址）。 - 当我们尝试访问一个地址时，
MMU尝试将虚拟地址翻译为物理地址，并检查该虚拟地址对应的页表项，以确定是否有权限访问该地址，以及地址是否有效 - 当
CPU发现该块地址是无效的，或者是不具有写权限的，或者是无权限访问的，将触发异常 - 操作系统向该进程发送
SIGSEG的信号
这就是简单的硬件异常触发流程。
3. 信号的保存
现在我们已经基本了解了信号是从哪里来的，那么信号被一个进程接受过后，是以什么形式存在于进程当中呢？
在介绍信号的保存之前，希望大家记住这几个概念：
- 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)。
信号的信息被保存在一个进程的 task_struct 中：
我们来好好的介绍这 3 个结构：
3.1 block 位图
Block 位图用于指示哪些信号当前被进程 阻塞。如果一个信号在 Block 位图中对应的位被设置（为 1 ），那么即使该信号已经到达，它也不会被立即处理，而是会 保持在未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞。
3.2 pending 位图
Pending 位图（通常不是直接暴露给用户的，而是作为进程控制块 task_struct 的一部分）用于 跟踪哪些信号已经到达进程但尚未被处理。每个位代表一个信号，如果该位被设置（通常为 1 ），则表示对应的信号已经到达且处于 未决状态。
3.3 handler 函数指针数组
用户可以通过系统调用来设置特定信号的处理函数。当用户为某个信号注册了一个自定义的处理函数时，操作系统就会将该函数的地址存储在 handler 表中对应信号编号的位置。如果用户没有为某个信号设置自定义处理函数，那么当该信号发生时，操作系统就会 调用默认的处理函数。
所以，我们总结一下，当一个信号传递给进程时，操作系统会将
pending表中该信号对应的值置 1，如果block表中的对应的值 也是 1，代表该信号被阻塞，不会被立即处理，直至解除阻塞；当解除阻塞或者一开始就不是阻塞状态的话，就会执行handle
表中该信号对应的函数操作。
3.4 验证结论
现在我们准备验证我们的想法，我们先阻塞一个信号，然后发送该信号，查看是否执行相关操作，在解除对该信号的阻塞，再次观察现象：
在这里会涉及到对信号集的操作，大家可以简单理解为
对信号集进行的对某个信号的阻塞操作最终会保存到阻塞表中，在这里就不具体说明操作了，感兴趣的小伙伴，我找了一篇比较好的文章 👉信号集操作指南。
6 // 自定义函数7 void signal_handler(int signum)8 {9 std::cout << "Recived signal SIGINT!!!" << std::endl;10 }11 12 int main()13 {14 // 捕获信号15 signal(SIGINT, signal_handler);16 17 sigset_t sigset;18 // 初始化信号集19 sigemptyset(&sigset);20 // 添加指定信号到信号集21 sigaddset(&sigset, SIGINT);22 23 // 阻塞该信号24 if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &sigset, NULL) == -1)25 {26 perror("sigprocmask");27 }28 29 std::cout << "SIGINT is blocked. Try pressing Ctrl+C after 5s!!!\n" << std::endl;30 sleep(5);31 32 // 解除阻塞33 if(sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &sigset, NULL) == -1)34 {35 perror("sigprocmask");36 }37 38 std::cout << "SIGINT is unblocked. Try pressing Ctrl+C!!!\n" << std::endl;39 40 while(true)41 {42 sleep(1);43 }44 }
第一次我们按 ctrl + c 没什么反应，过了 5s 后，函数自动被执行，可以看出我们的结论是正确的。
4. 信号的处理
现在我们知道信号哪里来的了，也知道保存在哪里了，现在我们来看看信号的处理方式。
4.1 执行默认方式
对于没有为其注册信号处理函数的信号，进程会执行该信号的默认操作。就比如，SIGTERM 信号的默认操作是请求进程终止，而 SIGSEGV（段错误）信号的默认操作是生成core文件并终止进程。
4.2 调用信号处理函数
如果进程为某个信号注册了信号处理函数（也称为信号处理器，上面代码中的 signal_handler 函数），那么当该信号到达时，内核会暂停进程的正常执行流程，转而调用该处理函数。
4.3 忽略信号
进程可以选择忽略某些信号。这意味着当这些信号到达时，进程不会执行任何特别的操作，而是继续执行其当前的代码路径。然而，需要注意的是，并非所有信号都可以被忽略。例如，SIGKILL和SIGSTOP等信号是不能被忽略的。
4.4 阻塞信号
进程可以选择屏蔽某些信号，以 避免在关键操作期间接收到这些信号。通过调用sigprocmask 等系统调用，进程可以设置其信号屏蔽字，以决定哪些信号能够传递到进程中。被屏蔽的信号将保持在未决状态，直到屏蔽被解除后才会被处理。
4.5 阻塞和忽略的区别
这两个概念相当容易混淆，从定义上来说：
- 阻塞是指
进程选择性地阻止某些信号的传递。当这些被阻塞的信号发生时，它们会被内核记录下来（处于未决状态），但不会立即执行信号的处理函数或执行默认操作。 - 忽略是指进程对收到的某些信号
不执行任何操作，即不调用处理函数也不执行默认操作，而是简单地丢弃这些信号。
大家可以这样理解：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。 前者是处于未决的状态，后者是被递达后选择了忽略，不做其他处理。
总结
在这篇文章中介绍了信号的概念，也介绍了信号从哪里来，到哪里去，被接受处理的过程，希望大家有所收获😁。