進程信號
信號量(system v信號量)
- 作用：實現進程控制，也就是可以實現同步和互斥功能
- 本質：計數器 + PCB等待隊列。計數器是指對資源的計數，也就是對所佔的資源進行+1，-1操作
實現互斥的方法
- 前提條件：
信號量當中的資源計數器只有兩個取值，也就是0或者1。其中0表示當前資源不可用，1表示當前資源可用
- 訪問：
當一個進程需要訪問一個臨界資源的時候，會先獲取信號量，預算信號量當中計數器的值。
- 預算：對當前信號量中的計數器進行-1操作，然後判斷信號量當中的計數器是否小於0。
如果信號量當中的計數器值小於0，則表示信號量之前的值爲0，表示當前的臨界資源不可以被訪問，然後會將當前獲取信號量的進程放到PCB等待隊列中去，進行阻塞等待。
如果信號量當中的計數器值等於0，則表示信號量之前的值爲1，表示當前的臨界資源可以被訪問，然後對信號量當中的計數器進行-1操作，再訪問臨界資源。
- 釋放：
如果臨界資源訪問完成，需要結束對臨界資源的訪問，然後對信號量當中的計數器進行+1操作，然後喚醒PCB等待隊列中的進程(先進先出)。
減一操作 --> p操作
加一操作 --> v操作
- 實現同步的方式
同步即保證進程對臨界資源訪問的合理性，在實現同步的過程中，計數器的取值不再限制爲0或者1，而是任意整數。
初始化信號量：將信號量當中的資源計數器設置爲資源的數量。
- 訪問臨界資源：
先訪問信號量：對資源計數器進行-1操作，判斷資源計數器的值是否大於0。如果小於0，則將該進程放在PCB等待隊列中；如果大於等於0，則訪問臨界資源。
以停車場爲例，資源計數器就是統計停車場還有多少空位置，PCB等待隊列就是表示車輛在停車場外排隊。
當車位佔滿的時候，表示臨界資源數量爲0，也就是資源計數器的值是0；這時如果還有車子想進入停車場，就會在車庫門前排隊，每排一輛車，就會對信號量中的資源計數器-1操作，如圖有3輛車在等待，資源計數器的值爲-3。
- 釋放資源，通知PCB等待隊列的做法
當臨界資源被進程所釋放，就會對資源計數器進行+1操作，通知PCB等待隊列當中的的進程訪問臨界資源
- 計數器+1操作完畢之後，計數器當中的值小於等於0。這時需要通知PCB等待隊列當中的進程(因爲PCB等待隊列不爲空)。
- 計數器+1操作完畢之後，計數器當中的值大於0。就不需要通知PCB等待隊列(因爲PCB等待隊列本身就是空的)。
信號的基本概念
信號是一個軟件中斷，可以打斷當前正在運行的進程，讓該進程去處理信號的事件，當前的進程需要處理信號所帶來的的操作。就像我麼一看到紅燈就會下意識的進行等待，看到綠燈就會想到可以通行。
- 信號的種類
在linux操作系統中，總共有62種信號。前31種信號(1 - 31)被稱爲不可靠信號，信號有可能會丟失，非實時信號；後31種信號(34-64)被稱爲可靠信號，信號是不可能被丟失的，實時信號。
![在這裏插入圖片描述]()
信號的產生
硬件產生
- ctrl + c：給前臺進程發送一個SIGINT信號(2號信號)，中斷當前的進程。
- ctrl + z：給前臺進程發送一個SIGTSTP信號(20號信號)，暫停當前進程。
- ctrl + |：給前臺進程發送一個SIGQUIT信號(3號信號)，使進程崩潰，產生coredump文件
軟件產生
- kill [pid]：給前臺進程發送一個SIGTERM信號(15號信號)
- kill -[signalno] [pid]：給指定進程發送指定的信號
就像kill -9 [pid]表示給進程發送SIGKILL信號(9號信號)，強殺信號
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
printf("i am finfshed\n");
kill(getpid(),2);//給當前進程發送一箇中斷信號
while(1)
{
printf("如果打印到這裏，就說明有問題!\n");
sleep(1);
}
return 0;
}
調用函數產生
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
#include <stdlib.h>
void abort(void);//封裝kill函數，誰調用就給誰發送SIGABRY信號(6號信號)
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
//設定一個鬧鐘,也就是告訴內核在seconds秒之後給當前進程發SIGALRM信號,
//該信號的默認處理動作是終止當前進程。
還有當我們出現訪問空指針或者內存越界訪問的時候，就會出現11號信號，SIGSEGV段錯誤信號
man 7 signal //查看信號的作用
信號的註冊
- 查看信號的源碼
因爲在linux中默認是不安裝kernel的內核源碼，所以說我們在查看的時候，需要先將內核源碼安裝好。
sudo yum install kernel -devel -y
然後在root用戶下進行查找sched.h文件
find /usr/src/ -name sched.h
因爲信號的不同頭文件下存在着一些引用的關係，所以說一些結構體的定義不在sched.h頭文件下，我們可以在查找之前，在/usr/src/kernels/3.10.0-1062.18.1.el7.x86_64/include/目錄下建立tags索引文件，然後可以使用tags的查找方式進行跨文件查找。
ctags -R //建立tags索引文件
在文件中可以使用ctrl + ] 獲取當前光標下的單詞作爲tag名字進行跳轉
ctrl + T //跳轉到前一次的tag處
然後用vim 打開這個目錄下的sched.h文件，使用/[關鍵字]，然後就可以看到task_struct結構體了。下面是註冊碼的一些與信號有關的成員變量之間的關係。
兩種註冊信號的情況
sigqueue隊列是內核當中維護的一個隊列，其隊列當中的每一個元素對應信號的一個處理節點。
- 非可靠信號：(1 - 31)
會更改sig位圖中對應的字節爲1，在sigqueue隊列中增加對應信號所對應的節點
對於非可靠信號，當sigqueue隊列多次收到同樣一個信號的時候，只添加一個節點，也就是相當於第二次收到的同樣的信號被丟棄掉。
- 可靠信號：(34 - 64)
當sigqueue隊列第一次收到一個可靠信號的時候，會更改sig位圖中對應的字節爲1，然後在隊列中增加對應信號所對應的節點。
而當第二次收到同樣一個信號的時候，先判斷sig位圖中的對應字節位置是否爲1，並且在sigqueue隊列中增加信號所對應的節點
兩種信號註銷的情況
- 非可靠信號：(1 - 31)
會將sig位圖中對應的字節位置置0，並將在sigqueue隊列中的節點去除掉(操作系統拿着節點去行使該信號的功能)
- 可靠信號：(34 - 64)
將待處理的信號在sigqueue隊列中的對應節點進行盤算，判斷當前處理的對應信號的節點是否在sigqueue隊列中還有相同類型的節點，
有：則不改變sig位圖的對應字節上的1，即不把1置爲0
沒有：則直接將sig位圖對應位置的1置爲0
信號捕捉
- 信號的處理方式
默認處理方式：SIG_DEL (執行一個動作或者執行一個函數)
忽略時的處理：SIG_IGN (不會做任何事)
自定義處理方式：我們自定義的處理方式
問題1：爲什麼會產生殭屍進程？爲什麼父進程來不及回收子進程的退出信息，導致子進程爲殭屍進程？
殭屍進程的產生是因爲當子進程退出時，父進程沒有回收子進程的退出狀態，這個時候子進程退出的消息父進程沒有接收，子進程就成爲一個殭屍進程。至於爲什麼父進程來不及處理，是因爲子進程在退出的時候，會給父進程發鬆一個SIGCHID信號，而操作系統對SIGCHID信號的處理方式恰好爲忽略狀態(SIG_IGN)，這時父進程就是不會做任何事的狀態。
問題2：從信號的角度來看，應該如何解決殭屍進程的問題？
- 使用signal(SIGCHLD,SIG_IGN)，在這種方式下，子進程狀態信息會被丟棄，也就是自動回收了，所以不會產生殭屍進程。(爸爸不管兒子了，兒子自己釋放掉自己吧)
- 從其他角度看，我們可以fork兩次，讓第一次fork的子進程在fork完成後使用(exit)直接退出，這樣第二次fork得到的子進程就沒有父進程了，就變成了孤兒進程，它會被自動過繼給老祖宗init進程，init會負責釋放它的資源，這樣就不會由"殭屍"產生了(把原本的父子關係變成爺孫關係，然後直接殺掉中間的爸爸，爺爺也不管孫子了，孫子就成了孤兒，自己釋放自己)
- 因爲父子進程之間的搶佔式執行，所以說父子進程之間無法確定哪一個進程先執行，爲了防止子進程在退出的時候，父進程陷入循環無法得到子進程的退出狀態，可以在子進程進行的時候，讓父進程進行進程等待， 以便子進程可以正常退出。(這種方法，爸爸會照顧兒子一生，直至兒子死亡，並妥善處理完兒子的後事)
#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
- signum：需要我們自己定義的一個信號值
- handler：一個函數指針類型的參數 --> typedef void (*sighandler_t)(int);
- void：是返回值的類型
- int：參數類型，即是哪一個信號觸發操作系統調用該函數
上面的代碼，我們在運行的時候，通過pstack [pid]查看的時候顯示是程序是在sleep()函數中
但是當我們採取硬件中斷ctrl+c 和 ctrl+\ 時，卻發現程序調用了signal函數。signal函數的這種使用方式是向系統註冊了一個函數，當發生某種特定的事件的時候，會回調之前註冊的函數，即回調函數。這裏的程序在運行的過程中其實可以說是並行運行的。
自定義信號的處理流程
前提
- 在task_struct結構體中，有一個指向sighand_struct的結構體指針，在該結構體當中有一個action結構體數組，這個數組每一個元素的類型都是struct k_sigation結構體類型，數組中的每一個元素都對應一個信號的處理邏輯。
- 在struct_sigaction結構體中有一個元素是struct sigaction sa，在struct sigaction結構體中有一個sighandler_t類型的元素，這個sighander_t是一個函數指針類型，typedef void(*sighandler)(int)，保存信號默認執行的函數。
操作系統對信號的處理
- 操作系統對默認信號的處理
當sig位圖中收到一個信號的時候，意味着sig位圖當中的某一個bite位置會被置爲1，操作系統處理該信號的時候，就會從PCB中找sighang_struct這個結構體的指針，從而找到sa_handler，進而操作系統內核回去調用sa_handler保存的函數地址，然後完成該信號的功能。
- 自定義信號處理函數
signal：相當於改掉了sa_handler保存的函數地址，也就是當收到自定義信號的時候，操作系統內核會去調用sa_handler保存的新的函數地址，而這個函數是我們自己定義的，調用之後就可以達到我們所期望的執行效果。
#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
struct sigaction *oldact);
//相當於更改掉了action數組當中的元素，相當於直接改掉了結構體，
//從而達到修改信號處理函數地址的目的
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int);
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
void (*sa_restorer)(void);
};
-
void (*sa_handler)(int); ： 操作系統爲每一個信號自定義的默認調用函數
-
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); ： 一個函數指針，但是這個函數指針是預留的，需要配合sa_flags使用，當sa_flags爲SA_SIGINFO的時候，操作系統就會調用該函數指針當中保存的函數地址
-
sigset_t sa_mask; ： 一般當前進程在處理信號的時候，可能還會收到新的信號，爲了有效地保存新的信號，就把新的信號放在sa_mask中。
-
int sa_flags; ： 配合sa_sigaction使用
-
void (*sa_restorer)(void); ： 預留信息
-
act：表示把signum信號修改爲act處理方式
-
oldact：表示是操作系統之前被signum所定義的處理方式
-
struct sigaction 相當於action[]數組中的元素類型(k_sigaction)，signal函數就是調用sigaction函數實現的
signal(2,sigcallback);
while(1)
{
sleep(1);
}
對於上面的代碼，程序正常情況下會一直執行sleep的循環
- 當程序收到ctrl + c，也就是2號信號的時候
- 當程序執行sleep函數時，從用戶態切換到內核態，然後執行內核代碼
- 執行完sleep的邏輯之後，需要調用do_signal函數去處理接受到的信號信息。此時如果程序沒有接收到2號信號，會直接調用sysreturn函數從內核態切換到用戶態；要是接收到2號信號，則會切換到用戶態去執行自定義的sigcallback函數。
- 執行完畢之後，調用sigreturn 函數切換回內核態，然後再次調用do_signal 函數，重複第3步的邏輯，直到當前程序接受到的信號被處理完畢。
- 確保當前程序沒有信號的中斷的時候，會調用sysreturn 函數返回用戶態繼續執行代碼。
程序進入內核態的情況
- 調用系統功能調用函數
- 調用庫函數的時候，庫函數底層要是調用了系統功能調用函數，就會進入內核態
- 程序訪問異常，就像空指針的訪問(11號信號)，內存訪問越界(11號信號)，double free(6號信號)。
是否可以使用free函數去釋放NULL指針呢？
free(NULL)並不會產生程序崩潰，也不會收到信號
信號阻塞
- 前提
信號想要發生一個阻塞，得要在task_struct結構體當中保存了一個blocked位圖
信號的阻塞並不是說信號不可以被註冊，而是當收到一個阻塞的信號的時候，如果通過blocked位圖發現該信號被阻塞，就不會處理這個信號，但是他的阻塞不會影響信號更改pending位圖和增加sigqueue節點
- 操作系統處理信號的邏輯
當程序從用戶態切換到內核態之後，處理do_signal函數的時候，發現收到了某個信號，想要處理這個信號之前，得先判讀block位圖當中對應信號的bite位是否爲1
blocked當中對應的bite位置爲1，則不處理該信號，sigqueue當中對應的信號的節點還是存在
blocked當中對應的bite位置爲0，則處理該信號
更改sigset_t位圖中某個bite位的值
#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
- how：
SIG_BLOCK --> 設置某個信號爲阻塞狀態，用修改位圖來達到目的
SIG_UNBLOCK --> 設置某個信號爲非阻塞狀態
SIG_SETMASK --> 設置新的阻塞的sigset_t位圖
- set：要設置的新的阻塞位圖
- oldset：之前程序當中阻塞的位圖，出參
可以驗證一下我們之前關於可靠信號與非可靠信號在sigqueue隊列中的結論，非可靠信號收到多個相同的非可靠信號的時候，只會添加一次sigqueue節點，也就是隻處理一次；而可靠信號收到多個相同的信號的時候，會添加多個sigqueue節點，也就是每一個可靠信號都會被處理。
9,19號信號不可以被阻塞
源碼地址：
https://github.com/duchenlong/linux-text/blob/master/sigblock.c