树莓派开始，玩转Linux20：穿越时空的信号

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2023-01-17 13:51 108阅读 0赞

## 树莓派开始，玩转Linux20：穿越时空的信号 ##

如果说操作系统是一栋大楼，那么内核就是这栋大楼唯一的管理员，应用程序的进程就是大楼里的房客。一般情况下，进程躲在自己的房间里，专注于自己的事情，而不必考虑其他进程。但有的时候，进程也要打破封闭，相互交流。信号就是一种向进程传递信息的方式。

**1.按键信号：**

在Shell中可以通过快捷键Ctrl+C来中断正在运行的进程，或者用快捷键Ctrl+Z来中止进程。按下这些按键时，Shell都向进程发出了信号。进程捕捉到这些信号后，会根据信号的含义来执行特定的动作，如结束进程或者暂停。

之前使用Shell时，都是在Shell中输入一个命令，然后等待命令完成。命令完成后，我们才能执行其他命令。在进程运行期间，Shell的命令行输入会阻塞（Block）。命令行阻塞之后，Shell不再接受新的命令，比如：  
![在这里插入图片描述][20210429164531247.png]

命令ping的进程占据了整个舞台，因此称为前台进程。每个Shell最多有一个前台进程。前台进程会阻塞Shell。如果Shell启动前台进程，那么在Shell中的输入就重新定向到前台进程的标准输入。Shell的按键信号，自然也是发送给前台进程的。

值得注意的是，Shell除了可以有一个前台进程，还可以有多个后台进程。后台进程不会阻塞Shell的命令行，比如：  
![在这里插入图片描述][20210429164552383.png]  
按键信号不会发送给后台进程。  
Linux使用特定的短语来指代一种信号。可以用按键发出的信号有三个，  
这三个信号都是传递给Shell的前台进程的。

> ·　SIGINT：按快捷键Ctrl+C，中断（Interrupt）前台进程。  
> ·　SIGTSTP：按快捷键Ctrl+Z，暂停（Stop）前台进程。  
> ·　SIGQUIT：按快捷键Ctrl+\\，退出（Quit）前台进程。

**2.kill命令：**

按键是向前台进程发出信号的快捷方式，我们也可以用kill命令向特定进程发出信号。

首先在一个Shell中运行一个前台进程：  
![在这里插入图片描述][20210429164747834.png]  
在另一个Shell中，先找到ping命令对应进程的PID：  
![在这里插入图片描述][20210429164803349.png]  
找到进程的PID，如8577，就可以用kill命令中断程序：  
![在这里插入图片描述][20210429164828267.png]  
事实上，kill命令可以向系统中的任何一个进程发信号，无论这个  
进程是前台进程还是后台进程，以一个后台进程为例：

![在这里插入图片描述][20210429164850139.png]  
后台进程会在Shell上打印出PID，比如9949。有了进程的PID，我们可以用kill向进程发信号：  
![在这里插入图片描述][20210429164911163.png]  
命令kill能发出信号的种类比快捷按键多很多，比如下面的两个信  
号。

> ·　SIGCONT：通知暂停的进程继续。  
> ·　SIGALRM：定时信号。

可以用下面的命令来查询完整的信号列表：  
![在这里插入图片描述][20210429164951689.png]  
还可以用man命令来查询更详细的文档：  
![在这里插入图片描述][20210429165005674.png]  
我们依然用kill发出这些信号，比如让暂停的进程继续：  
![在这里插入图片描述][20210429165022293.png]  
**3.信号机制：**

信号是Linux系统的重要机制，我们有必要理解它的原理。信号本质上很简单，就是内核传递给进程的一个整数。每个整数代表了一种信号，如表23-1所示。  
![在这里插入图片描述][2021042916534559.png]  
可以用下面的命令来查询信号对应的整数：  
![在这里插入图片描述][20210429165359834.png]  
我们可以把信号想象成大楼管理员往住户的信箱里塞的小纸条，如图23-1所示。所谓的大楼管理员就是Linux内核，而住户就是进程。在内核的内存空间里，给每个进程预留了一块用于存放信号的空间。这个空间就是内核和住户之间沟通的信箱，信箱里能存放的内容就是对应了某种信号的整数。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
需要发信号的情况有很多。它可以是内核自身产生的，比如出现分  
母为0的除法运算这样的错误，内核就会用SIGFPE信号来通知进行该运  
算的进程。信号也可以是其他进程产生的，比如用户用快捷键发出的中  
断信号，实际上是由Shell产生的。无论是哪种情况，信号最终都是由内  
核写入目标进程的信箱。这样，就生成了信号。

信号生成后，就会一直躺在信箱里，直到住户来查看。信号总是在特定的时机下被查看。每次进程完成系统调用、即将退出内核的时间，就是查看信号的最好时机。原因很简单，信号保存在内核空间，而进程执行系统调用时正好处于内核模式，查看内核空间的代价最小。如果有信号，那么进程会执行对应该信号的操作，这称作信号处理（SignalDisposition）。从信号生成到信号处理这段时间，信号处于等待（Pending）状态。

可见，信号只是一个整数，信息量很小。信号的运行机制也很简单，就像是一个投递到信箱里的小纸条。正因如此，信号便于管理和使用，因此信号总是那些涉及系统运行的关键任务，比如通知进程终结、中止或者恢复等。

**4.信号处理：**

我们之前用信号来让进程中断或恢复。事实上，信号并没有操纵进程的魔力。它只能通知进程某种情况的发生。在刚才ping命令的例子中，ping收到信号后，根据Linux系统的管理，针对每种信号都采取了对应的默认操作，但这并不绝对。  
进程的信号处理，有下面三种可能。

> ·　无视信号（Ignore Signal）：信号被清除，进程本身不采取任何特殊的操作。  
> ·　默认操作（Default Action）：每个信号对应有一定的默认操作，比如SIGCONT用于继续进程。  
> ·　捕获信号（Catch Signal）：根据信号，执行程序中自定义的操作。

收到信号后，进程会根据信号的种类和程序设计，决定采取哪种行动。特别是在捕获信号的情况下，进程收到信号后，往往会进行一些长而复杂的操作。

我们先以bash脚本为例，说明信号处理。bash脚本运行后成为一个进程，这个进程就可以处理信号。先来写一个bash脚本，名为test\_signal.bash：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
这个脚本不断地打印出文本"hello"。运行脚本：  
![在这里插入图片描述][20210429170403504.png]  
获得脚本的PID，例如10412。我们可以向脚本进程发出信号，比如：  
![在这里插入图片描述][20210429170424170.png]  
此时进程对信号的处理，采用的是默认操作。我们可以利用trap命令，让一个bash脚本来捕获信号：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
命令trap后面跟的参数，一个是捕获信号后想要进行的操作，一个是用来说明想要捕捉信号的名称。除了用信号名，你也可以用信号编号。根据这个脚本中的trap命令可知，这个脚本会捕获SIGINT信号，并针对该信号进行自定义的处理：先打印"interrupted"，再以状态1退出。我们可以配合bash的函数，在捕获信号后进行更复杂的操作。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
![在这里插入图片描述][20210429170526492.png]  
在这个脚本中我们定义了一个叫作handle\_exit的函数，这个函数在第一次被调用时不会直接退出，而是提示用户如果退出，需要再次按下快捷键Ctrl+C，即打印提示"Press Ctrl+C again to quit."。而第二次收到SIGINT信号后，将会输出Bye，并退出程序。

注意，脚本一开始就用trap说明了信号捕获的相关操作，但脚本不会停在trap那一行等待信号。脚本继续执行下去，进行循环操作。只有等到信号出现时，脚本才会回到trap说明的操作。因此，对于trap命令来说，语句执行的时机和语句发生作用的时机是分离的。回忆前面介绍的echo、ls、which等语句，当语句执行时，语句规定的操作就进行了，这种工作方式是同步（Synchronous）。而trap的工作方式是异步（Asynchronous）的，异步编程用于处理像信号这样出现时机不确定的事件。

**5.语言中的信号：**

不仅可以在bash脚本中捕获信号，也可以在C语言编写的程序中捕获信号。C语言信号相关的内容在头文件signal.h里。捕获信号的语句格式如下：  
![在这里插入图片描述][20210429170811686.png]  
signal函数跟着两个参数，第一个是信号标识，在这里捕捉的是SIGINT，第二个是回调函数，这里是sigint\_handler。SIGINT常量是在signal.h中定义的，如果打开头文件，那么可以看到其中有下面这一行：  
![在这里插入图片描述][2021042917083242.png]  
回调函数和一般的C语言函数类似，例如定义下面这个函数：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
这个C语言程序运行时，如果遇到SIGINT信号，就会打印"ReceivedSIGINT."这样一句话。

我们来看一个完整的C程序：  
![在这里插入图片描述][20210429170908525.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
上面的程序包含了一个无限循环，程序在这个循环中反复打印一串文本。

编译执行后，运行效果如下：  
![在这里插入图片描述][20210429170938942.png]  
程序不断打印"waiting…"。此时，发出信号，即按下快捷键Ctrl+C，将触发程序一开始定义的信号处理函数sigint\_handler。程序将执行该处理函数中的语句，即打印：  
![在这里插入图片描述][20210429171000782.png]

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[20210429164552383.png]: /images/20221021/e68e72119897482f84fb8dac727ece54.png
[20210429164747834.png]: /images/20221021/bcfb12c4d51e459b9cb9ac8e38a1398f.png
[20210429164803349.png]: /images/20221021/2fbe90b79ee24271af6241c46bcf4780.png
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[20210429164850139.png]: /images/20221021/a473d840cc08493d95a3181ab92a375d.png
[20210429164911163.png]: /images/20221021/522d083dc5884ba8899fe845e79b1174.png
[20210429164951689.png]: /images/20221021/e113003f3dd7458f8522b3c462802259.png
[20210429165005674.png]: /images/20221021/ed67dbd1c441493495af45925c38d707.png
[20210429165022293.png]: /images/20221021/778b96ae67974ea899f6808f4adbb1ee.png
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