Linux系统编程14_信号和进程状态

本文主要是介绍Linux系统编程14_信号和进程状态，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

====================信号介绍=========================
SIGKILL 9 exit信号，是不会被阻塞的，不能被忽略；杀死进程的终极办法
SIGSTOP 停止，并不消灭进程

SIGINT 2　 Ctrl + C时OS送给前台进程组中每个进程, 默认处理的时候会调用exit终止程序
SIGQUIT 3 默认处理动作是终止进程并且Core Dump
SIGABRT 6 调用abort函数，进程异常终止

SIGUSR1 10 用户自定义信号
SIGSEGV 11 无效存储访问时OS发出该信号，段错误
SIGUSR2 12 用户自定义信号
SIGPIPE 13 涉及管道和socket
SIGALARM 14 涉及alarm函数的实现
SIGTERM 15 多半会被阻塞，kill命令发送的OS默认终止信号
SIGCHLD 17 子进程终止或者是停止时，OS向其父进程发送此信号
=====================进程状态=====================
R 可执行状态 在CPU上运行
S 可中断的睡眠状态（TASK_INTERRUPTIBLE） 被挂起 可随时被唤醒
D 不可中断的睡眠状态（TASK_UNINTERRUPTIBLE） 不会相应异步信号 kill -9都杀不死
T 暂停状态或跟踪状态（TASK_STOPPED or TASK_TRACED）
X 退出状态(TASK_DEAD - EXIT_DEAD)，进程即将被销毁
Z 退出状态 (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，进程成为僵尸进程

TASK_UNINTERRUPTIBLE状态存在的意义就在于，内核的某些处理流程是不能被打断的。
如果响应异步信号，程序的执行流程中就会被插入一段用于处理异步信号的流程（这个插入的流程可能只存在于内核态，也可能延伸到用户态），于是原有的流程就被中断了。
在进程对某些硬件进行操作时，可能需要使用TASK_UNINTERRUPTIBLE状态对进程进行保护，以避免进程与设备交互的过程被打断，造成设备陷入不可控的状态。
这种情况下的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态总是非常短暂的，通过ps命令基本上不可能捕捉到。
linux系统中也存在容易捕捉的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态。执行vfork系统调用后，父进程将进入TASK_UNINTERRUPTIBLE状态，直到子进程调用exit或exec。

向进程发送一个SIGSTOP信号，它就会因响应该信号而进入TASK_STOPPED状态
SIGSTOP与SIGKILL信号一样，是非常强制的。
不允许用户进程通过signal系列的系统调用重新设置对应的信号处理函数。
向进程发送一个SIGCONT信号，可以让其从TASK_STOPPED状态恢复到TASK_RUNNING状态。

当进程正在被跟踪时，它处于TASK_TRACED这个特殊的状态。
“正在被跟踪”指的是进程暂停下来，等待跟踪它的进程对它进行操作。
比如在gdb中对被跟踪的进程下一个断点，进程在断点处停下来的时候就处于TASK_TRACED状态。
而在其他时候，被跟踪的进程还是处于前面提到的那些状态。
对于进程本身来说，TASK_STOPPED和TASK_TRACED状态很类似，都是表示进程暂停下来。
而TASK_TRACED状态相当于在TASK_STOPPED之上多了一层保护，处于TASK_TRACED状态的进程不能响应SIGCONT信号而被唤醒。
只能等到调试进程通过ptrace系统调用执行PTRACE_CONT、PTRACE_DETACH等操作（通过ptrace系统调用的参数指定操作），
或调试进程退出，被调试的进程才能恢复TASK_RUNNING状态。

EXIT_ZOMBIE
在这个退出过程中，进程占有的所有资源将被回收，除了task_struct结构（以及少数资源）以外。于是进程就只剩下task_struct这么个空壳，故称为僵尸。
之所以保留task_struct，是因为task_struct里面保存了进程的退出码、以及一些统计信息。
而其父进程很可能会关心这些信息。比如在shell中，$?变量就保存了最后一个退出的前台进程的退出码，而这个退出码往往被作为if语句的判断条件。
当然，内核也可以将这些信息保存在别的地方，而将task_struct结构释放掉，以节省一些空间。
但是使用task_struct结构更为方便，因为在内核中已经建立了从pid到task_struct查找关系，还有进程间的父子关系。
释放掉task_struct，则需要建立一些新的数据结构，以便让父进程找到它的子进程的退出信息。
父进程可以通过wait系列的系统调用（如wait4、waitid）来等待某个或某些子进程的退出，并获取它的退出信息。
然后wait系列的系统调用会顺便将子进程的尸体（task_struct）也释放掉。
子进程在退出的过程中，内核会给其父进程发送一个信号，通知父进程来“收尸”。
这个信号默认是SIGCHLD，但是在通过clone系统调用创建子进程时，可以设置这个信号。

EXIT_DEAD
而进程在退出过程中也可能不会保留它的task_struct。
比如这个进程是多线程程序中被detach过的进程（进程？线程？参见《linux线程浅析》）。
或者父进程通过设置SIGCHLD信号的handler为SIG_IGN，显式的忽略了SIGCHLD信号。
（这是posix的规定，尽管子进程的退出信号可以被设置为SIGCHLD以外的其他信号。）
此时，进程将被置于EXIT_DEAD退出状态，这意味着接下来的代码立即就会将该进程彻底释放。
所以EXIT_DEAD状态是非常短暂的，几乎不可能通过ps命令捕捉到。
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1号进程，pid为1的进程，又称init进程。
inux系统启动后，第一个被创建的用户态进程就是init进程。它有两项使命
1、执行系统初始化脚本，创建一系列的进程（它们都是init进程的子孙）；
2、在一个死循环中等待其子进程的退出事件，并调用waitid系统调用来完成“收尸”工作；
init进程不会被暂停、也不会被杀死（这是由内核来保证的）。
它在等待子进程退出的过程中处于TASK_INTERRUPTIBLE状态，“收尸”过程中则处于TASK_RUNNING状态。

进程的初始状态
进程是通过fork系列的系统调用（fork、clone、vfork）来创建的，内核（或内核模块）也可以通过kernel_thread函数创建内核进程。
这些创建子进程的函数本质上都完成了相同的功能——将调用进程复制一份，得到子进程。（可以通过选项参数来决定各种资源是共享、还是私有。）
那么既然调用进程处于TASK_RUNNING状态（否则，它若不是正在运行，又怎么进行调用？），则子进程默认也处于TASK_RUNNING状态。
另外，在系统调用调用clone和内核函数kernel_thread也接受CLONE_STOPPED选项，从而将子进程的初始状态置为 TASK_STOPPED。

进程状态变迁
进程自创建以后，状态可能发生一系列的变化，直到进程退出。
而尽管进程状态有好几种，但是进程状态的变迁却只有两个方向——从TASK_RUNNING状态变为非TASK_RUNNING状态、或者从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态。
也就是说，如果给一个TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程发送SIGKILL信号，这个进程将先被唤醒（进入TASK_RUNNING状态），然后再响应SIGKILL信号而退出（变为TASK_DEAD状态）。
并不会从TASK_INTERRUPTIBLE状态直接退出。
进程从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态，是由别的进程（也可能是中断处理程序）执行唤醒操作来实现的。
执行唤醒的进程设置被唤醒进程的状态为TASK_RUNNING，然后将其task_struct结构加入到某个CPU的可执行队列中。于是被唤醒的进程将有机会被调度执行。

而进程从TASK_RUNNING状态变为非TASK_RUNNING状态，则有两种途径：
1、响应信号而进入TASK_STOPED状态、或TASK_DEAD状态；
2、执行系统调用主动进入TASK_INTERRUPTIBLE状态（如nanosleep系统调用）、或TASK_DEAD状态（如exit系统调用）；
或由于执行系统调用需要的资源得不到满足，而进入TASK_INTERRUPTIBLE状态或TASK_UNINTERRUPTIBLE状态（如select系统调用）。
显然，这两种情况都只能发生在进程正在CPU上执行的情况下。
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kill -9 id //强制杀死进程，相当于发送了一个SIGKILL信号
kill id //普通杀死进程，发送了SIGTERM信号
ctrl +c //相当于发送了2号信号SIGINT，相当于中止当前进程；Ctrl + C时OS送给前台进程组中每个进程
ctrl + z //相当于发送20号信号SIGTSTP，暂停/停止当前进程。
kill -l //查看所有信号
man 7 signal //查看信号用法
kill -num(信号编号) pid //可以给指定进程发送信号
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信号产生的原因：
1、在终端按下某些组合键，终端驱动程序会发送信号给前台进程；
2、硬件异常产生信号，由硬件检测并通知内核，然后内核向当前进程发送适当的信号；
3、一个进程调用kill函数可以发送信号给另一个进程；
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信号的处理有三种方法，分别是：忽略、捕捉和默认动作
SIGSTOP和SIGKILL 不能被忽略；
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信号相关函数：
1、signal //基础版，信号处理注册函数
typedef void (*sighandler_t)(int); //信号处理函数原型
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); //信号处理注册函数

2、sigaction //高级版，信号处理注册函数
高级版可以携带一些数据；
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
//第一个参数signum应该就是注册的信号的编号；
//第二个参数act如果不为空说明需要对该信号有新的配置；
//第三个参数oldact如果不为空，那么可以对之前的信号配置进行备份，以方便之后进行恢复。

struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); //信号处理程序，不接受额外数据，SIG_IGN 为忽略，SIG_DFL 为默认动作
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理程序，能够接受额外数据和sigqueue配合使用
sigset_t sa_mask;//阻塞关键字的信号集，可以再调用捕捉函数之前，把信号添加到信号阻塞字，信号捕捉函数返回之前恢复为原先的值。
int sa_flags;//影响信号的行为，SA_SIGINFO表示能够接受数据
};
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一

3、kill //基础版 信号发送
int kill(pid_t pid, int sig);

4、sigqueue //高级版 信号发送
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval {
int sival_int;
void *sival_ptr;
};
//sigqueue 函数只能把信号发送给单个进程，可以使用 value 参数向信号处理程序传递整数值或者指针值。
//sigqueue 函数不但可以发送额外的数据，还可以让信号进行排队
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可靠信号和不可靠信号
不可靠信号：信号可能丢失，一旦信号丢失了，进程并不能知道信号丢失；
可靠信号：阻塞信号，
信号编号小于等于31的信号都是不可靠信号，之后的信号是可靠信号。

可靠信号对应两个函数，sigqueue,sigaction;信号发送和处理；
可靠信号克服了信号可能丢失的问题；
这些可靠信号支持排队，不会丢失；

可靠信号的阻塞和未决：
如果一个信号被进程阻塞，它就不会传递给进程，但会停留在待处理状态，
当进程解除对待处理信号的阻塞时，待处理信号就会立刻被处理。
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信号集函数 sigemptyset()、sigprocmask()、sigpending()、sigsuspend()：
https://www.cnblogs.com/52php/p/5815125.html

============【信号的概念】============================
信号是软中断，它提供了一种处理异步事件的方法。

首先，每个信号都有一个名字。这些名字都以三个字符SIG开头。

在头文件<signal.h>中，这些信号都被定义为正整数（信号编号）。

实际上，实现将各信号定义在另一个头文件中，但是该头文件又包括在<signal.h>中。
通常，若应用程序和内核两者都需使用同一定义，那么就将有关信息放置在内核头文件中，然后用户级头文件再包括该内核头文件。

不存在编号为0的信号。（kill函数对信号编号0有特殊的应用。POSIX.1将此种信号编号值称为空信号。）

产生信号的条件：
1）当用户按某些终端键时，引发终端产生的信号。
2）硬件异常产生信号。
3）进程调用kill（2）函数可将信号发送给另一个进程或进程组。
（自然，对此有所限制：接收信号进程和发送信号进程的所有者必须相同，或者发送信号进程的所有者必须是超级用户。）
4）用户可用kill（1）命令将信号发送给其他进程。
当检测到某种软件条件已经发生，并应将其通知有关进程时也产生信号。（这里指的不是硬件产生的条件，而是软件条件。）

信号是异步事件的经典实例。
产生信号的事件对进程而言是随机出现的。
进程不能简单地测试一个变量（例如errno）来判别是否出现了一个信号，
而是必须告诉内核“在此信号出现时，请执行下列操作”。

可以要求内核在某个信号出现时按照下列三种方式之一进行处理，我们称之为信号的处理或者与信号相关的动作。
（1）忽略此信号。大多数信号都可使用这种方法进行处理，但是有两种信号决不能被忽略：SIGKILL和SIGSTOP。
这两种信号不能被忽略的原因是：它们向超级用户提供了使进程终止或停止的可靠方法。
另外，如果忽略某些由硬件异常产生的信号（例如除以0），则进程的运行行为是未定义的。
（2）捕捉信号。为了做到这一点，要通知内核在某种信号发生时调用一个用户函数。
在用户函数中，可执行用户希望对这种事件进行的处理。注意，不能捕捉SIGKILL和SIGSTOP信号。
（3）执行系统默认动作。注意，针对大多数信号的系统默认动作是终止进程。

表10-1列出了所有信号的名字，说明了哪些系统支持此信号以及针对这些信号的系统默认动作。在“默认动作”列中，
“终止+core”表示在进程当前工作目录的core文件中复制该进程的存储映像。大多数UNIX调试程序都使用core文件以检查进程终止时的状态。

用来提醒进程一个事件已经发生。当一个信号发送给一个进程，操作系统中断了进程正常的控制流程，此时，任何非原子操作都将被中断。
如果进程定义了信号的处理函数，那么它将被执行，否则就执行默认的处理函数。

软中断信号（signal，简称为信号）用来通知进程发生了异步事件。
进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。

内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。

信号只是用来通知某进程发生了什么事件，并不给该进程传递任何数据。

用户在终端按下某些组合键时,终端驱动程序会发送信号给前台进程。
硬件异常产生信号,这些条件由硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。
一个进程调用kill(2)函数可以发送信号给另一个进程。

信号就是一个定义在signal.h文件中的一个正整数常量；
使用kill -l可以查看系统中定义的信号列表。
使用man 7 signal可以查看信号的详细说明；
编号1~31是普通信号，34以上是实时信号；

信号的发送者有很多，比如终端驱动程序，进程，系统。而接收者大多是一个进程。
那么怎么做就是给某进程发送一个信号呢？事实上，给进程发一个信号就是修改目标进程pcb结构体中的关于信号的字段（让进程记录此信号）。
进程是否接收到信号本身是一个原子问题。它要么收到，要么没收到。所以可以用位图来表示进程是否收到信号，只需要修改一个比特位（操作系统完成）：收到信号就置1。

进程收到信号后，其可选的处理动作有以下三种:
忽略此信号。
执行该信号的默认处理动作（终止该信号）。
提供一个信号处理函数（自定义动作）,要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数,这种方式称为捕捉(Catch)一个信号。

信号之signal函数
#include <signal.h>
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);

signo参数是信号名（参见：http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3514157.html中UNIX系统信号Signal栏下的信号名）。func的值是常量SIG_IGN、常量SIG_DFL或当接到此信号后要调用的函数的地址。
如果指定SIG_IGN，则向内核表示忽略此信号（记住有两个信号SIGKILL和SIGSTOP不能忽略）。
如果指定SIG_DFL，则表示接到此信号后的动作是系统默认动作。当指定函数地址时，则在信号发生时，调用该函数，我们称这种处理为“捕捉”该信号。
称此函数为信号处理程序（signal handler）或信号捕捉函数（signal-catching function）。

linux信号基本概念及如何产生信号:https://www.cnblogs.com/LiuYanYGZ/p/9567092.html

ctrl-c 发送 SIGINT 信号给前台进程组中的所有进程。常用于终止正在运行的程序。
ctrl-z 发送 SIGTSTP 信号给前台进程组中的所有进程，常用于挂起一个进程。
ctrl-d 不是发送信号，而是表示一个特殊的二进制值，表示 EOF。
ctrl-\ 发送 SIGQUIT 信号给前台进程组中的所有进程，终止前台进程并生成 core 文件。

所以SIGINT的默认处理动作是终止进程，而SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump。
核心转储core dumped
当个进程要异常终止时，可以选择把进程的用户空间内存数据全部保存到磁盘上，文件名通常是core，这叫做Core Dump。
也叫核心转储，帮助开发者进行调试，在程序崩溃时把内存数据dump到硬盘上，让gdb识别。

所以有+表示前台进程，无+表示后台进程。
Ctrl-C产生的信号只能发给前台进程。因为后台进程使Shell不必等待进程结束就可以接受新的命令，启动新的进程。

而前台进程运行时占用SHELL，它运行的时候SHELL不能接受其他命令。

shell自动将后台进程中对中断和退出信号的处理方式设置为忽略。

于是，当按中断键时就不会影响到后台进程。如果没有执行这样的处理，那么当按中断键时，它不但会终止前台进程，还会终止所有后台进程。

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