【Linux信号专题】二、信号是如何产生的

1. 终端按键产生信号

• Ctrl+c ：2号信号SIGINT，表示终止/中断。(SIG INT → signal interrupt)
• Ctrl+z：20号信号SIGTSTP，表示暂停/停止。(SIG T STP → signal terminal stop)
• Ctrl+\ ：3号信号SIGQUIT，表示退出。(SIG QUIT → signal quit)

2. 硬件异常信号

当程序出现硬件异常会产生信号：

• 除0操作，浮点型错误，8号信号SIGFPE。
• 非法访问内存，11号信号SIGSEGV，段错误。
• 总线错误，7号信号SIGNUS。

3. 函数产生信号

3.1 kill函数

kill命令和kill函数都可以产生信号来杀死进程。kill命令产生信号：kill -SIGKILL pid；kill函数：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)。

• 头文件及函数原型

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

• 函数功能
  The kill() system call can be used to send any signal to any process group or process. 给指定进程发送指定信号。
  
• 函数参数

• pid：进程ID

• If pid is positive, then signal sig is sent to the process with the ID specified by pid. 如果pid > 0，发送信号给指定的进程。
• If pid equals 0, then sig is sent to every process in the process group of the calling process. 如果pid = 0，发送信号给与调用kill函数的进程属于同一进程组的所有进程。
• If pid equals -1, then sig is sent to every process for which the calling process has permission to send signals, except for process 1 (init), but see below. 如果pid = -1，发送给进程有权限发送的系统中所有进程。
• If pid is less than -1, then sig is sent to every process in the process group whose ID is -pid. 如果pid < -1，对pid取模发给对应进程组。

• sig：信号名，不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
  If sig is 0, then no signal is sent, but error checking is still performed; this can be used to check for the existence of a process ID or process group ID.
  

• 函数返回值

• On success (at least one signal was sent), zero is returned. 成功返回0。
• On error, -1 is returned, and errno is set appropriately. 失败返回-1 (ID非法，信号非法，普通用户杀init进程等权级问题)，设置errno。

3.2 raise函数

• 包含头文件与函数原型

#include <signal.h>
int raise(int sig);

• 函数功能he raise() function sends a signal to the calling process or thread. 给当前进程发送指定信号(自己给自己发) 。

• In a single-threaded program it is equivalent to kill(getpid(), sig);
• In a multithreaded program it is equivalent to pthread_kill(pthread_self(), sig);
• If the signal causes a handler to be called, raise() will only return after the signal handler has returned.

• 函数参数

• sig

• 函数返回值
  raise() returns 0 on success, and non-zero for failure. 成功返回0，失败返回非0值。
  

/************************************************************
  >File Name  : test.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月23日 星期一 14时20分42秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("pid: %d\n", getpid());
    sleep(1);
    raise(SIGKILL); /* 相当于
    kill(getpid(), SIGKILL); */
    return 0;
}

3.3 abort函数

• 包含头文件及函数原型

#include <stdlib.h>
void abort(void);

• 函数功能
  The abort() first unblocks the SIGABRT signal, and then raises that signal for the calling process. 给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT 信号，终止并产生core文件。
  
• 函数参数

• void

• 函数返回值
  The abort() function never returns.
  

4. 时钟信号

4.1 alarm函数

• 包含头文件及函数原型

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

• 函数功能设置定时器（闹钟），定时给调用进程（也就是自己）发送SIGALRM，来约定进程几秒钟后结束。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号，进程收到该信号，默认动作终止。 每个进程都有且只有唯一一个定时器。定时与进程状态无关（自然定时法），就绪、运行、挂起（阻塞、暂停）、终止、僵尸等等无论进程处于何种状态，alarm都会计时。alarm() arranges for a SIGALRM signal to be delivered to the calling process in seconds seconds.

• If seconds is zero, no new alarm() is scheduled.
  
• In any event any previously set alarm() is canceled.
  

Term   Default action is to terminate the process. /*终止进程*/

• 函数参数

• seconds：时间，单位秒。alarm(0)相当于取消闹钟。

• 函数返回值
  alarm() returns the number of seconds remaining until any previously scheduled alarm was due to be delivered, or zero if there was no previously scheduled alarm. 返回上次定时器剩余的秒数。我们实现约定好多少秒时候发送一个信号，alarm()函数返回距离发送信号还剩余的秒数，如果没有剩余时间或没有约定发送信号返回0。可以这么理解，如果是第一次开启定时器，返回0；如果上一次设定了alarm(5)，两秒之后又设置了alarm(3)，那么这个alarm()返回上一次定时器剩余的时间，也就是5-2=3秒。
  

用法示例：

/************************************************************
  >File Name  : test.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月23日 星期一 14时20分42秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    int ret = alarm(3);
    printf("first alarm(3) return: %d\n", ret);
    sleep(2);
    ret = alarm(5);
    printf("second alarm(5) return: %d\n", ret);
    while(1)
    {
        printf("pid: %d\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

编译运行得到结果

**示例2：**time命令计时与IO优化

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    int count = 0;
    alarm(1);
    while(1)
    {
        printf("%d\n", count++);
    }
    return 0;
}

编译运行，使用time命令可以查看程序执行的时间（实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间），time ./a.out

在上面的时间中：

real：总共的时间（自然时间）；

user：用户使用时间；

sys：系统时间；

可以看到最大计数到了7572，并且user几乎没有分配到时间，这是因为IO操作（打印屏幕）造成的，我们可以重定向一下输出

可以看到user的时间增加了，并且最大计数达到了306087。实际上程序运行的瓶颈大部分在于IO，优化程序，首先优化IO。

4.2 setitimer函数

• 包含头文件及函数原型

#include <sys/time.h>
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

• 函数功能
  The system provides each process with three interval timers, each decrementing in a distinct time domain. 设置定时器（闹钟），可代替alarm函数，精度微秒us，可以实现周期定时。
  
• 函数参数

• which：指定定时方式

• ITIMER_REAL：decrements in real time, and delivers SIGALRM upon expiration. 自然定时法，ITIMER_REAL对应信号14）SIGLARM，计算自然时间。（实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间）。
• ITIMER_VIRTUAL：decrements only when the process is executing, and delivers SIGVTALRM upon expiration. 虚拟空间计时(用户空间)，ITIMER_VIRTUAL对应信号26）SIGVTALRM，只计算进程占用cpu的时间。（计算进程执行时间）
• ITIMER_PROF：decrements both when the process executes and when the system is executing on behalf of the process. Coupled with ITIMER_VIRTUAL, this timer is usually used to profile the time spent by the application in user and kernel space. SIGPROF is delivered upon expiration. 运行时计时(用户+内核)，ITIMER_PROF对应信号27）SIGPROF，计算占用cpu及执行系统调用的时间。（进程执行时间+调度时间）

• new_value：要设置的定时器时间

struct itimerval {
    struct timeval it_interval; /* next value 周期性的时间*/
    struct timeval it_value;    /* current value 下一次闹钟到来的时间 */
};
struct timeval {
    long tv_sec;                /* seconds 秒*/
    long tv_usec;               /* microseconds 微秒*/
}; /*秒+微妙才是真正的时间，微妙是为了更精确*/

• it_interval：用来设定两次定时任务之间间隔的时间。
• it_value：定时的时长 。
• 两个参数都设置为0，即清0操作。

• old_value：原来的定时器时间
  

• 函数返回值

• On success, zero is returned.
• On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

**示例1：**使用setitimer实现alarm函数定时功能

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    struct itimerval temp = {{0, 0}, {3, 0}};
    setitimer(ITIMER_REAL, &temp, NULL); /*ITIMER_REAL，3秒后发送SIGALRM信号*/
    while(1)
    {
        printf("pid: %d\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

编译运行，3秒后闹钟

**示例2：**周期性定时器

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
/*信号处理回调函数*/
void m_catch(int sig)
{
    /*捕捉到信号执行此函数，不杀死进程*/
    printf("catch signal: %d\n", sig);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    signal(SIGALRM, m_catch/*函数指针做函数参数*/);
    /*signal信号捕捉函数，当产生SIGALRM信号的时候，去执行m_catch函数*/
    struct itimerval temp = {{2, 0}, {4, 0}}; /*第一次等待4秒，以后每隔2秒发送一个信号*/
    setitimer(ITIMER_REAL, &temp, NULL);
    while(1)
    {
        printf("pid: %d\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

编译执行，可以看到第一次隔了4秒捕获到信号，后面周期性的每隔2秒捕获一次信号，不会杀死进程，可以通过ctrl+c杀掉进程。

**示例3：**setitimer实现alarm函数

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
unsigned int malarm(unsigned int seconds)
{
    struct itimerval temp = {{0, 0}, {0, 0}};
    struct itimerval ret;
    temp.it_value.tv_sec = seconds;
    setitimer(ITIMER_REAL, &temp, &ret);
    printf("tv_sec: %ld, tv_mirsec: %ld\n", ret.it_value.tv_sec, ret.it_value.tv_usec);
    return ret.it_value.tv_sec;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    int ret = malarm(5);
    printf("malarm() return: %d\n", ret);
    sleep(2);
    ret = malarm(6);
    printf("malarm() return: %d\n", ret);
    while(1)
    {
        printf("pid: %d\n", getpid());
        return 0;
    }
    return 0;
}

编译运行，时间可能会不太准确，这是正常的