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引言

在Linux系统中，信号机制是实现进程间异步通信的重要方式，其生命周期可分为三个关键阶段：信号产生→信号保存→信号处理。这种机制如同我们生活中的红绿灯系统：信号随时可能异步产生（红灯亮起），操作系统需要暂存信号（等待行人到达路口），最终在合适时机执行处理（做出停止或通行决策）。

信号基础

1. 信号分类
   • 普通信号（1-31）：经典UNIX信号，如SIGINT(2)/SIGKILL(9)
   • 实时信号（34-64）：扩展信号，支持队列化处理
   • 查看命令：kill -l显示62个有效信号（缺失0/32/33号）
2. 生活化类比
   • 红绿灯规则：认识信号（颜色识别）→定义行为（停/行）
   • 外卖通知：异步响应（游戏挂机时接电话）→延迟处理（推完高地再取餐）
   • 闹钟提醒：默认动作（起床）→忽略处理（蒙头继续睡）→自定义响应（关闭闹钟后晨练）

信号特性

1. 异步性
   信号产生与处理存在时间窗口，如同快递员送货与收件人活动的独立时序。这种异步特性要求系统必须通过pending位图等机制暂存未决信号。
2. 内核级流转
   当信号触发时，CPU从用户态陷入内核态完成信号检测，再返回用户态执行处理程序。这种状态切换如同交警临时接管交通指挥权。
3. 处理三态

处理方式	系统行为	生活案例
默认动作	SIG_DFL（终止/忽略等）	绿灯通行
忽略信号	SIG_IGN	屏蔽骚扰电话
自定义处理	注册handler函数	特殊门铃响应机制

理解信号的预备工作

信号的本质认知

1. 信号接收主体
   • 信号的本质是操作系统向进程发送的异步通知，所有信号操作均以进程为基本单位
   • 验证方式：kill -9 PID命令通过进程ID定向发送信号
2. 进程识别机制
   • 识别前提：
     • 认知能力：通过代码预定义信号处理逻辑（程序员编写）
     • 响应能力：操作系统维护的进程控制块（PCB）提供支持
   • 类比理解：如同人类通过教育习得红绿灯规则（认知）并形成条件反射（响应）

信号存储原理

存储维度	技术实现	核心特性
数据结构	PCB中的pending位图（32位无符号整型）	比特位映射信号编号（1-31）
编码规则	比特位索引=信号编号-1	0表示未接收，1表示已接收
修改权限	仅操作系统可操作	用户空间无法直接访问内核数据

信号发送本质

1. 操作实质
   • 所有信号发送操作最终表现为修改目标进程PCB中的信号位图
   • 示例：发送9号信号 = 将pending位图的第9位设为1
2. 权限体系
   • 内核独占：只有操作系统有权修改PCB结构
   • 用户接口：通过系统调用（如kill()）触发内核级操作
   • 命令本质：kill命令是封装系统调用的用户态工具

关键设计思想

1.异步处理机制

• 信号产生与处理的时间窗口分离设计
  • 当进程收到信号的时候，进程可能正在执行更重要的代码，所以信号不一定会被立即处理进程本身必须对信号有保存能力。
  • 类比场景：外卖通知到达时用户可能正在执行高优先级任务

2.内核态管控

• PCB是内核维护的数据结构对象，管理者是操作系统，所以我们未来发送信号的方式，本质上都是通过操作系统向目标进程发送信号的

• 系统调用作为安全边界保障操作合法性
• 用户程序通过注册handler实现有限自定义
• 信号生命周期全程由操作系统调度

         [用户空间]                          [内核空间]│                                  │├─ kill命令                        ││    │                             ││    └─ 触发系统调用                │▼                                  ▼
进程A发送信号请求 → 系统调用接口 → 内核修改进程B的PCB位图│▼信号暂存于pending位图│▼等待进程B进入可中断状态

信号的产生

一、通过终端按键产生信号

1. Ctrl+C的本质
   • 硬件中断触发：键盘控制器检测到Ctrl+C组合键时产生中断
   • 内核转换机制：操作系统将中断转换为SIGINT(2)信号
   • 默认处理动作：立即终止前台进程（对应SIG_DFL标志）

   • 仅影响前台进程（带+号的进程）

二、调用系统函数向进程发信号

1. kill 给任意进程发送任意信号

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

函数	作用域	等效操作	典型信号
raise()	当前进程	kill(getpid(), sig)	SIGTERM
abort()	强制终止	kill(getpid(),6)	SIGABRT
alarm()	定时触发	内核定时器	SIGALRM

三、由软件条件产生信号

alarm系统调用

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

软件条件 --"闹钟"其实就是用软件实现的。任意一个进程，都可以通过alarm系统调用在内核中设置闹钟，OS内可能会存在着很多的闹钟，那么操作系统要不要管理这些闹钟呢?要。

四、硬件异常产生信号

信号产生不一定由用户显示发送，也可以由操作系统自动发送。

异常类型	触发信号	典型场景
除零错误	SIGFPE(8)	int a = 5/0;
非法内存访问	SIGSEGV(11)	野指针解引用
非法指令	SIGILL(4)	损坏的可执行文件

状态寄存器：每个CPU运算结果都会更新状态寄存器标志位

一旦除0，在硬件上CPU先出异常，然后被操作系统识别，操作系统将溢出标志位的异常转化为对应的信号，发送给目标进程 。操作系统如何知道我除0了呢？语言上写的C/C++代码最底层都属于硬件异常，然后操作系统将硬件问题转化为软件问题，向你的目标进程发信号，终止这个进程，这就是我们除0进程会崩溃的原因。收到信号，不一定会引起进程退出，如果没有退出，这个信号的行为还会被调度到。我们没有能力去修正CPU所维护的状态寄存器，所以当进程被切换的时候，状态信息被保存，进程恢复的时候，操作系统会再次识别到CPU里的状态寄存器，从而一直发送信号。

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MMU检测：内存管理单元校验虚拟地址合法性

graph LR
A[虚拟地址] --> B(页表查询)
B --> C{物理页存在?}
C -->|是| D[正常访问]
C -->|否| E[触发SIGSEGV]

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>using namespace std;static void Usage(const std::string &proc)
{std::cout << "\nUsage: " << proc << " pid signo\n"<< std::endl;
}// int cnt = 0;
void catchSig(int signo)
{std::cout << "获取到一个信号，信号编号是: " << std::endl;// exit(1);// alarm(1);
}
// ./myprocess pid signo
int main(int argc, char *argv[])
{// for(int signo = 1; signo <= 31; signo++)// {//     signal(signo, catchSig);// }// while(true) // {//     cout << "我在运行: " << getpid() <<endl;//     sleep(1);// }// 核心转储// while (true)// {//     int a[10];//     // a[10000] = 106;// }// 4. 软件条件 -- "闹钟"其实就是用软件实现的// IO其实很慢// 统计1S左右，我们的计算机能够将数据累计多少次!// signal(SIGALRM, catchSig);// alarm(1);// while(true)// {//     cnt++;// }// 3. 产生信号的方式：硬件异常产生信号// 信号产生，不一定非得用户显示的发送！// signal(SIGFPE, catchSig);// int a = 10;// // 如何证明？// // 受到信号，不一定会引起进程退出 -- 没有退出，有可能还会被调到// // -- CPU内部的寄存器只有一份，但是寄存器中的内容，属于当前进程的上下文！// // 你有没有能力或者动作修正这个问题呢？没有// // 当进程被切换的时候，就有无数次状态寄存器被保存和回复的过程// // 所以每一次恢复的时候，就让OS识别到了CPU内部的状态寄存器中的溢出标志位是1// // OS如何得知应该给当前进程发送8号信号的-- OS怎么知道我除0了呢？？，CPU会异常// a /= 0; // 为什么除0 会终止进程？当前进程会受到来自OS系统的信号(告知)，SIGFPE// signal(11, catchSig);// while (true)// {//     std::cout << "我在运行中...." << std::endl;//     sleep(1);//     int *p = nullptr;//     // p = nullptr; // 1//     // OS怎么知道呢？？我野指针了呢？//     *p = 100;  //为什么 野指针 就会崩溃呢？因为OS会给当前进程发送指定的11号信号// }// 2. 系统调用向目标进程发送信号// kill()可以想任意进程发送任意信号// raise() 给自己 发送 任意信号kill(getpid(), 任意信号)// abort() 给自己 发送 指定的信号SIGABRT, kill(getpid(), SIGABRT)// 关于信号处理的行为的理解：有很多的情况，进程收到大部分的信号，默认处理动作都是终止进程// 信号的意义：信号的不同，代表不同的事件，但是对事件发生之后的处理动作可以一样！// int cnt = 0;// while(cnt <= 10)// {//     printf("cnt: %d, pid: %d\n", cnt++, getpid());//     sleep(1);//     // if(cnt >= 5) abort(); // kill(getpid(), signo)//     // if(cnt >= 5) raise(9); // kill(getpid(), signo)// }// if(argc != 3)// {//     Usage(argv[0]);//     exit(1);// }// pid_t pid = atoi(argv[1]);// int signo = atoi(argv[2]);// int n = kill(pid, signo);// if(n != 0)// {//     perror("kill");// }// 1. 通过键盘发送信号// while(true)// {//     std::cout << "hello world" << std::endl;//     sleep(1);// }
}

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进程退出时的核心转储问题

核心转储的概念

当进程出现异常的时候，我们将进程在对应的时刻，在内存中的有效数据核心转储到磁盘中。

Term与Core终止的本质区别

在Linux信号机制中，进程的异常退出分为两种类型：

1. Term（SIGTERM）
   • 正常终止：操作系统直接结束进程，不保留额外信息
   • 典型场景：kill -15 PID 或 Ctrl+C 触发的默认终止
   • 特点：无调试信息留存，适用于预期内的进程终止
2. Core（SIGSEGV/SIGFPE等）
   • 异常终止：操作系统在终止进程前生成核心转储文件
   • 典型场景：段错误（SIGSEGV）、除零错误（SIGFPE）
   • 特点：保存进程崩溃时的完整内存镜像，支持事后调试

结语

本文主要讲解了信号的预备知识、信号的产生以及核心转储等内容，下一篇我们将详细介绍信号的保存和递达处理。