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OS信号
一、信号的概念
信号是一种向目标进程发送通知消息的一种机制，属于软中断。本质上是用软件来模拟中断行为！
在生活中存在很多信号，诸如红绿灯、闹钟铃声、古代狼烟、防空警报等等。以红绿灯为例，我们是如何认识红绿灯信号的。根本原因在于我们在小时候就已经有人提前告诉你如何去识别它、对应的灯亮了意味这什么，要做什么！
同理，在操作系统中已经提前内置了信号信息。我们通过kill -l查看：
- 每个信号都有一个编号和一个宏定义名称,这些宏定义可以在signal.h中找到。其中
1~31为普通信号，43~64为实时信号（不关心），没有32、33号信号！这些信号各自在什么条件下产生,默认的处理动作是什么,在signal(7)中都有详细说明:man 7 signal。
在操作系统中，信号还没有产生之前，进程就能识别它（数字代号或宏），如何处理。信号的到来，我们并不清楚是什么时候，所以信号相对进程来说是异步的。信号产生后，进程不一定立即处理它，而是在合适的时候进程处理。所以我们需要将已经到来的信号进行保存！
- 所以信号如何产生？操作系统如何保存信息？
二、信号的产生
在操作系统中，产生信号有4种方式：终端按键产生、系统调用产生、硬件异常产生、软件条件产生！
1）终端按键产生信号
下面通过终端按键向前台进程和后台进程发送信号为例！
1、 前台进程、后台进程
下面我们创建一个process.cc源文件，让其死循环输出信息。
#include <iostream> #include <unistd.h> int main() { int cnt = 0; while(true) { std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl; sleep(1); } return 0; } - 我们编译运行后，产生一个前台进程。我们可以在终端输入
ctrl c发送2号信号来终止前台进程！
我们在键盘上按下ctrl c后，会产生硬件中断。操作系统会识别到硬件数据就绪，此时操作系统读键盘上的数据，发送给目标进程。前台进程因为收到2号信号，进而引起信号退出！！
- 我们也可以通过
ctrl z发送20号信号暂停前台进程！但由于前台进程不能被暂停，否则键盘将失效。此时当前被暂停的前台进程后转化为后台进程。shell外壳进程快速从后台切换为前台进程。
下面我们将前台进程输入重定向到log.txt，死循环打印消息。然后ctrl z发送20号信号，此时前台进程会变为后台进程。具体效果如下：
我们发现ctrl z向目标进程发送20号信号后，前台进程变为后台进程，并且被暂停！
jobs指令可以查看当前系统中的后台进程。bg 指令+ 后台进程编号可以重新启动后台进程。fg 指令+ 后台进程编号可以将后台进程提到前台，变为前台进程！- 前台进程只能有一个（键盘只有一个），后台进程可以有多个。两者本质区别在于前台进程可以接收用户输入，后台不行。
shell进程比较特殊，不会被ctrl c杀掉。并且根据具体情况，Os会自动将shell提到前台或后台！！
2、验证终端按键是否产生信号
上述我们通过终端按键让进程产生一系列行为。当ctrl c真的向目标进程发送了2号信号吗？ctrl z真的向目标进程发送了20号信号吗？我们需要进一步验证！
操作系统提供了一个signal系统调用即可，可以自定义捕捉信号。
#include <signal.h> //函数原型如下，signal()第二个参数用于自定义捕捉信号 typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); 下面我们以自定义捕捉2号信号，分别通过终端ctrl c和用户主动发送2号信号，对比进程行为！！
【源代码如下】：自定义捕捉2号信号，让进程受到2号信号退出时，打印一段消息！！
#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> void handler(int signo) { std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl; exit(0); } int main() { std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl; //自定义捕捉2号信号，signal()会将待捕捉信号种类数字传给handler() signal(2, handler); int cnt = 0; while(true) { std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl; sleep(1); } return 0; } 【终端ctrl c效果】：
【发送2号信号效果】：
- 我们发现两者行为一直，系统都受到了2号信号。进一步验证终端输入可以发送信号！！
2）调用系统函数向进程发信号
操作系统提供了系统调用接口kill，用来向指定进程发送特定信号！
//函数原型 #include <sys/types.h> #include <signal.h> int kill(pid_t pid, int sig); //发送成功，返回0；否则返回-1 【实例】：进程打印3次消息后，通过系统调用接口发送2号信号
#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> void handler(int signo) { std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl; exit(0); } int main() { int count = 3, cnt = 0; signal(2, handler);//自定义捕捉2号信号 while(true) { std::cout << "running ..." << ++cnt << std::endl; if(--count == 0) kill(getpid(), 2); sleep(1); } return 0; } 【运行结果】：
- kill命令是调用kill函数实现的。kill函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。
- raise函数可以给当前进程发送指定的信号(自己给自己发信号)。
#include <signal.h> int raise(int signo); //是成功返回0,错误返回-1。 - abort函数使当前进程接收到信号而异常终止。
#include <stdlib.h> void abort(void); //就像exit函数一样,abort函数总是会成功的,所以没有返回值。 3）硬件异常产生信号
下面以浮点数溢出和空指针解非法解引用错误为例
1、浮点数溢出，CPU产生信号
我们知道除式中，除数为0是非法的。此时CUP硬件会发送8号信号，表示浮点数异常Floating point exception。我们先来看看相关现象，代码如下：（我们特意让进程一直被运行，并且8号信号自定义捕捉。进程收到8号信号时不退出）
#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> void handler(int signo) { std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << std::endl; sleep(1); } int main() { std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl; signal(8, handler); int x = 10; x /= 0; while(true) {} return 0; } 【运行结果】：
我们观察到进程确实收到了8号信号。
2 浮点数溢出，产生信号原理
在CPU中存在许多寄存器，其中存在一个名为status的状态寄存器，其中存在一个标志位用来保存最近一次运算结果是否发送溢出！！一旦发送浮点数溢出，该标志位会被置为1，此时结果无意义！
对于上述代码，假设我们CPU寄存器eax中保存10，ebx寄存器中保存0。10/0，本质上是除一个无限小的数，导致结果无限大，发生溢出。此时操作系统会识别到该信息,然后立即将当前进程从CPU上剥离，添加到某种异常处理队列。
此时操作系统会将该异常解释为kill(targetprocess, signo)。然后将相关信号保存到进程PCB的信号位图中中！当异常处理完后，会被CPU再次调度运行，执行后续代码！但此时我们自定义捕捉了8号信号，没有让进程退出，会一直循环上述过程。
3. 空指针解引用错误，MMU产生信号原理
MMU（内存管理单元），它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件，现如今一般别集成到CPU上。 它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护等！
对空指针进行非法解引用，即试图对0号地址进行写入。但此时页表中没有建立相关映射，此时MMU进程虚拟地址向物理地址转化时发送失败，MMU报错，相关标志位改变。该变化会被OS识别后向目标进程写信号！！
4）软件异常产生信号
对于管道，比如匿名管道等存在同步机制的管道。当读端关闭，此时管道写端也会关闭退出。这就是一种典型的软件异常。当管道写端关闭，写端进行写入时会触发 SIGPIPE14信号。进而关闭读端退出！
下面我i们以alarm函数为例，测试软件异常。
调用alarm函数可以设定一个闹钟,也就是告诉内核在seconds秒之后给当前进程发SIGALRM信号, 该信号的默认处理动作是终止当前进程。
//函数原型 #include <unistd.h> unsigned int alarm(unsigned int seconds); //返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数 下面我们设置一个3秒的闹钟，程序运行后向进程发送14号信号！
#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> int cnt = 0; void handler(int signo) { //下面注释代码：我们可以主动发送14号信号，历史闹钟剩余时间，并取消历史闹钟 //int n = alarm(0);//取消历史闹钟，如果存在返回剩余时间 // int n = alarm(3); //从设闹钟，返回上一个闹钟剩余时间 //std::cout << "result:" << n << std::endl; std::cout << "自定义捕捉信号: " << signo << "alarm" << std::endl; exit(0); } int main() { std::cout << "pid: " << getpid() << std::endl; signal(14, handler); alarm(30); while (true) { sleep(1); } return 0; } 【运行结果】：
三、进程如何接收普通信号
在Linux中，普通信号存在31个（1 ~ 31）而在计算机中，一个进程可能同时收到多个信号，所以我们需要对收到的信号进行管理！所以我们可以通过维护一张位图来表示收到的信号。即比特位的位置表示信号种类；比特位的内容表示是否收到内容！！并且在每一个进程中都会存在一张函数指针数组表，该表的下标和信号编号强相关！
struct task_struct { uint_32 sigmap;//信号位图 //... }; 所以当进程收到信号后，操作系统会将该信号写入进程PCB所维护的信号位图中，即修改信号位图特定比特位！此时进程就完成了对信号的接收！
四、操作系统如何得知硬件数据就绪
4.1 OS得知硬件数据就绪方案
操作系统需要知道硬件数据是否就绪无非就两种方式：操作系统定期主动区轮询所有硬件参看硬件数据是否就绪、硬件通过某种方式告知OS自身数据就绪。
但显然第一种方式是不可取的。原因在于定期轮询硬件，间隔实践太长会导致运行速度下降；间隔时间过短，操作系统频繁访问硬件，会导致OS对进程调度效率下降。所以在计算机中，硬件数据是否就绪一般是通过某种方式去通知OS。
4.2 硬件如何通知OS数据就绪
首先，在CPU的周围存在很多针脚。这些针脚会通过电路和一些电路板相连（比如8259），而这些板子又会和一些硬件相连，诸如键盘、磁盘、网卡等。即某些硬件会间接和CPU周围的针脚相连，并且这些针脚是存在编号的！
当硬件数据就绪时，硬件会产生发送光电强弱信号传递给CPU针脚。当CPU识别到特定针脚的光电信号时，CPU会将光电信号转换为特定针脚对应的编号，并将该数字保存到寄存器中，而这些数字也被称为中断号，可以被程序读取。当CPU或OS识别到该寄存器中存在数据时，OS会立马停下手中的所有工作，将对应硬件中的数据加载到CPU中，完成数据的加载！！为了提供加载硬件数据的效率，OS会维护一张函数指针数组，即向量终端表。该数组的下标为中断号，表中的内容为中断号对应硬件的读取方法！
所以当硬件数据就绪后，硬件发送光电信号，CPU将该硬件所连接的CPU针脚编号写到寄存器中。此时OS读取到寄存器中的中断号后，立即停止所有工作，通过中断向量表索引硬件的读取方法，将数据读取到CPU中！
五、操作系统是如何被调度的
在计算机中，用户的所有行为都是以进程的形式存在的。所以OS只要把所有的进程调度好，就能完成所有的用户工作。但操作系统本身是如何被调的呢？
其实在计算机中存在一个名为CMOS的硬件。该硬件周期的、高频的向CPU发送时钟中断。而OS本身就是一个死循环程序，当CMOS发送时钟中断时，CPU会通过中断向量表去调度OS的代码。进而完成对OS的调度！！
- 操作系统的执行是基于硬件中断的。在OS被启动之前，计算机要完成对各种中断陷阱的初始化工作！！
