1.Linux系统编程-进程
1.Linux系统编程-进程
- 进程相关概念
- 进程和程序
- 并发
- CPU和MMU
- MMU内存管理单元
- 进程控制块PCB
- 进程状态
- 环境变量
- 常见的环境变量
- 环境变量操作函数
- 创建单个子进程
- 循环创建N个子进程
- 查看进程命令
- getuid函数
- getgid函数
- 父子进程共享
- 注意原则：读时共享写时复制原则
- gdb调试
- exec 函数
- execlp函数 （list path ）
- execl函数
- execle函数
- execv函数
- execvp函数
- 当前系统进程信息打印到文件中
- 回收子进程
- 孤儿进程
- 僵尸进程
- wait函数
- waitpid函数
- 进程间通信（IPC）
- 文件类型
- 管道
- pipe函数
- FIFO
- 共享内存
- 文件进程间通信
- mmap函数
- mmap注意事项
- 总结：使用mmap时务必注意以下事项：
- mmap父子进程通信
- 结论：父子进程共享：
- 匿名映射
- mmap无血缘关系进程间通信
- 实现文件多进程拷贝
- 实现步骤：
- 实现简单交互式shell
- 信号
- 与信号相关的事件和状态
- 信号的处理方式：
- 未决信号集
- 信号的编号
- 信号4要素
- Linux常规信号一览表
- 信号的产生
- 练习：循环创建5个子进程，任一子进程用kill函数终止其父进程
- raise和abort函数
- 软件条件产生信号
- 信号集操作函数
进程相关概念
进程和程序
程序：编辑好的二进制文件，磁盘上，不占用系统资源（cpu,内存，打开的文件，设备，锁。。。）
进程：是活跃的程序，占用系统资源。
一个程序可以加载为不同的进程；
并发
定义：一个时间段中有多个进程都处于已启动运行到运行完毕直接的状态，但，任一个时刻上仍只有一个进程在运行。
CPU和MMU
预处理-》编译-》汇编-》链接
虚拟地址：可用的地址空间 4G
MMU内存管理单元
进程控制块PCB
struct task_struct
查看命令：grep -r “task_struct {” /usr/
所在位置：/usr/src/linux-headers-5.0.0-32/include/linux/sched.h
查看资源上限限制： ulimit -a
进程状态
进程状态：初始态，就绪态，运行态，挂起态，终止态
环境变量
打印当前进程所有环境变量：
常见的环境变量
echo $PATH
echo $SHELL
echo $LANG
echo $HOME
环境变量操作函数
获取getenv:char *getenv(const char *name);
设置setenv:int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);
删除unsetenv:int unsetenv(const char *name);
创建单个子进程
#include<unistd.h>
pid_t fork(void)
返回值有2个：一个进程->两个进程->各自对fork做返回
1.返回子进程pid（非负整数 > 0）（父进程）
2. 返回0（创建成功） （子进程）
//============================================================================
// Name : test.cpp
// Author :
// Version :
// Copyright : Your copyright notice
// Description : Hello World in C++, Ansi-style
//============================================================================#include <iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;int main() {pid_t pid;printf("XXXX\n");pid=fork();if(pid == -1){printf("fail\n");}else if(pid==0){printf("child,pid=%u,ppid=%u\n",getpid(),getppid());}else{printf("father,pid=%u,ppid=%u\n",getpid(),getppid());sleep(1);}printf("YYYYYY\n");return 0;
}结果：
XXXX
father,pid=29388,ppid=28947
child,pid=29393,ppid=29388
YYYYYY
YYYYYY循环创建N个子进程
上图原因：未阻止子进程创建新的子子进程
正确做法如下：
//============================================================================
// Name : test.cpp
// Author :
// Version :
// Copyright : Your copyright notice
// Description : Hello World in C++, Ansi-style
//============================================================================#include <iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;int main() {int i;pid_t pid;printf("XXXX\n");for (i = 0; i < 5; i++) {pid = fork();if (pid == -1) {printf("fail\n");return 0;} else if (pid == 0) {break;}}if(i<5){sleep(i);printf("I am %dth child,pid=%u,ppid=%u\n", i+1, getpid(), getppid());}else{sleep(i);printf("father\n");}printf("YYYYYY\n");return 0;
}结果
XXXX
I am 1th child,pid=7444,ppid=7439
YYYYYY
I am 2th child,pid=7445,ppid=7439
YYYYYY
I am 3th child,pid=7446,ppid=7439
YYYYYY
I am 4th child,pid=7447,ppid=7439
YYYYYY
I am 5th child,pid=7448,ppid=7439
YYYYYY
father
YYYYYY查看进程命令
根据程序名称查询进程ID： ps -ef|grep 进程名
根据程序ID查询进程名称：ps aux | grep 5240
getuid函数
-rwxr-xr-x 1 wlj_1 wlj_2 12944 Oct 31 00:45 a.out
获取当前进程实际用户ID：uid_t getuid(void) wlj_1
获取当前进程有效用户ID：uid_t geteuid(void) wlj_2
改变有效用户ID:sudo (apt-get install)
getgid函数
获取当前进程实际用户组ID：gid_t getgid(void)
获取当前进程有效用户组ID：gid_t getegid(void)
父子进程共享
父子进程之间在fork后
父子相同处（用户区）：全局变量(写时独享)，.data(独享),.text,栈，堆，环境变量，用户ID，宿主目录，进程工作目录，信号处理方式。。。
父子不同处（内核区）：1.进程ID 2.fork返回值 3.父进程ID 4.进程运行时间 5.闹钟（定时器）6.未决信号集
重点：父子进程共享：1.文件描述符 2.mmap建立的映射区（进程间通信详解）
父子进程***执行顺序***，去解决内核使用的调度算法
注意原则：读时共享写时复制原则
gdb调试
gdb只能跟踪一个进程，可在fork函数调用钱通过指令设置gdb调试工具跟踪父/子进程，默认跟踪父进程；
set follow-fork-mode child:跟踪子进程
set follow-fork-mode parent:跟踪父进程
注意：一定要在fork函数调用前设置才有效。
exec 函数
调用exec不会创建新的进程，所有调用exec前后该进程id未改变
execlp函数 （list path ）
int execlp(const char *file,const char *arg,…) 成功：无返回；失败：-1
execlp(“ls”,“ls”,"-l","-a",NULL);
参数1:可执行程序名，其后为参数列表
该函数需要配合PATH环境变量来使用，当PATH中所有目录搜索后没有参数1则出错返回；
作用：该函数通常用来调用系统程序，如：ls,date,cp,cat等
execl函数
int execl(const char *path,const char *arg,…) 成功：无返回；失败：-1
加载一个进程，通过 路径+ 程序名 来加载
execlp(“ls”,“ls”,"-l","-a",NULL); 使用程序名在PATH中搜索
execl("/bin/ls",“ls”,"-l","-a",NULL); 使用参数1给出的决定路径搜索
execle函数
int execle(const char *path,const char *arg,…,char *const envp[])
execv函数
int execv(const char *path,char *const argv[])
char * argv[] = {“ls”,"-l","-a",NULL};
execv("/bin/ls",argv)
execvp函数
int execvp(const char *file,char *const argv[])
当前系统进程信息打印到文件中
int fd;
fd=open("ps.out",Q_WRONLY|O_CREAT|Q_TRUNC,0644);
if(fd<0)
{perror("open ps.out error");exit(1);
}
dup2(fd,STDOUT_FILENO);
execlp("ps","ps","ax",NULL);//执行成功不会返回
perror("execlp error");//execlp失败后执行后面语句
exit(1);
//close(fd);
return 0;
回收子进程
孤儿进程
父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程
杀死它的父进程(init),再回收
//============================================================================
// Name : test.cpp
// Author :
// Version :
// Copyright : Your copyright notice
// Description : Hello World in C++, Ansi-style
//============================================================================#include <iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int var = 24;
int main() {pid_t pid;printf("XXXX\n");pid = fork();if (pid == -1) {printf("fail\n");return -1;} else if (pid > 0) {sleep(1);printf("father,pid=%u,ppid=%u,var=%d\n", getpid(), getppid(), var);} else if (pid == 0) {printf("child,pid=%u,ppid=%u,var=%d\n", getpid(), getppid(), var);sleep(3);printf("child,pid=%u,ppid=%u,var=%d\n", getpid(), getppid(), var);}return 0;
}僵尸进程
进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存于内核中，变成僵尸进程。—init
注意：僵尸进程无法用kill命令清除，杀死它的父进程，僵尸进程会变成孤儿进程，会被init进程收养变成领养进程
wait函数
1.阻塞等待子进程退出
2. 回收子进程残留资源
3. 3.获取子进程结束状态（退出原因）
4. pid_t wait(int *status);成功：清理掉的子进程ID；失败：-1（无子进程）
1 WIFEXITED（status）为非0->进程正常结束
WEXITSTATUS(status)如上宏伟真，使用此宏，-》获取进程退出状态
2 WIFSIGNALED(status）伟非0-》进程异常终止
WTERMSIG(status）如上宏为真，使用此宏-》取得使进程终止的信号的编号
//============================================================================
// Name : test.cpp
// Author :
// Version :
// Copyright : Your copyright notice
// Description : Hello World in C++, Ansi-style
//============================================================================#include <iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;
int var = 24;
int main() {pid_t pid;int status;printf("XXXX\n");pid = fork();if (pid == -1) {printf("fail\n");return -1;} else if (pid == 0) {printf("child,pid=%u,ppid=%u,var=%d\n", getpid(), getppid(), var);sleep(30);printf("child die\n");return 100;} else if (pid > 0) {pid_t wpid=wait(&status);if(wpid == -1){perror("wait error");exit(1);}if(WIFEXITED(status)){printf("child exit with %d\n",WEXITSTATUS(status));}if(WIFSIGNALED(status)){printf("child killed by %d\n",WTERMSIG(status));}while (1) {printf("father,pid=%u,ppid=%u,var=%d\n", getpid(), getppid(), var);sleep(1);}}else{perror("fork");return 1;}return 0;
}waitpid函数
作用同wait,但可指定pid进程清理，可以不阻塞
pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options);成功：返回清理掉的子进程ID；失败：-1
参数pid:
pid>0 回收指定ID的子进程
pid = -1 回收任意子进程（x相当于wait）
pid =0 回收和当前调用waitpid一个组的所有子进程
pid <-1 回收指定进程组内任意子进程（j进程组ID取反）
参数3：0：阻塞回收
WNOHANG：子进程正常运行（非阻塞回收，轮询方式）
返回值：成功：pid 失败：-1 返回0值：参3WNOHANG，并且子进程尚未结束
注意：一次wait或waitpid调用只能清理一个子进程，清理多个子进程使用循环
//============================================================================
// Name : test.cpp
// Author :
// Version :
// Copyright : Your copyright notice
// Description : Hello World in C++, Ansi-style
//============================================================================#include <iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;
int main() {pid_t pid,q,wpid;int n= 5,i;int status;for(i=0;i<n;i++){pid=fork();if(pid == 0){break;}else if(i == 3){q = pid;}}if (n == i) {sleep(n);printf("father,pid=%u,gpid=%u\n", getpid(), getgid());
// while(wait(NULL))
// {//
// }
// while(waitpid(-1,NULL,0));//==wait(NULL);do{wpid = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);//if wpid==0 child is runningif(wpid>0){n--;}}while(n>0);printf("finish\n");}else{sleep(i);printf("I'm %d child,pid=%u,gpid=%u\n", i+1,getpid(), getgid());}return 0;
}进程间通信（IPC）
文件，管道，信号，共享内存，消息队列，套接字，命名管道
现有方式：
1 管道（使用简单）pipe（匿名管道） fifo(有名管道 同一目录同一名字 无血缘关系）
2 信号（开销最小）
3 共享内存（无血缘关系）mmap
4 本地套接字（最稳定）
文件类型
（占用磁盘存储）：
‘- 文件
d 目录
l 符号链接
伪文件：
s 套接字（）
b块设备
c 字符设备
p 管道
管道
特质：
1 本质：伪文件（实质为内核缓冲区）
2 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端
3 规定数据从管道写端流入，读端流出
管道原理：内核使用环形队列机制，借助内核缓冲期（4K）实现
局限性：
1 数据自己读不能自己写
2数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取
3 半双工通信方式，数据只能在一个方向上流动
4 只能在有公共祖先的进程间使用管道
pipe函数
int pipe(int pipefd[2]) 成功：0，失败：-1，设置error
父子间管道通信
/** pipe.cpp** Created on: Nov 11, 2019* Author: wlj*/#include <iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(void)
{int fd[2];pid_t pid;int ret =pipe(fd);if(ret== -1){perror("pipe error\n");return -1;}pid = fork();if(ret== -1){perror("pid error\n");return -1;}else if(pid == 0)//read{close(fd[1]);char buff[1024];ret = read(fd[0],buff,sizeof(buff));if(ret== 0){printf("----\n");}write(STDOUT_FILENO,buff,ret);}else{//writeclose(fd[0]);write(fd[1],"sdfjsdjk\n",5);}return 0;
}兄弟进程间通信
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main(void)
{pid_t pid;int fd[2], i;pipe(fd);for(i = 0; i < 2; i++){if((pid = fork()) == 0){break;}}if(i == 0){ //兄close(fd[0]); //写，关闭读端dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);execlp("ls", "ls", NULL);}else if(i == 1){ //弟close(fd[1]); //读，关闭写端dup2(fd[0], STDIN_FILENO);execlp("wc", "wc", "-l", NULL);}else {close(fd[0]);close(fd[1]);for(i = 0; i < 2; i++){ //两个儿子wait两次wait(NULL);}}return 0;
}
FIFO
命名管道（Linux基础文件类型）
创建
命令：mkfifo
函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
参数：
-name
-mode：8进制
返回值：
成功：0
失败：-1，设置errno
无血缘关系进程间通信
使用同一FIFO
可多读端，多写端
共享内存
文件进程间通信
使用***文件***也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符。也就共享打开的文件。
mmap函数
void *mmap(void addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
返回：
成功：返回创建的映射区的首地址。
失败：MAP_FAILED宏。
参数：
addr：建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL。
length：欲创建映射区的大小。
prot：映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ | PROT_WRITE。
flags：标志位参数（常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区）
–：会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
–MAP_PRIVATE：映射区所做的修改不会反映到物理设备。
fd：用来建立映射区的文件描述符。
offset：映射文件的偏移（4k的整数倍）
mmap注意事项
思考：
1、可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗？（可以）
2、如果open时O_RDONLY，mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？（权限不足）
3、文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？（没有影响）
4、如果偏移量为1000会怎样？（不行，必须是4k的整数倍）
5、对mem越界操作会怎样？（不能越界）
6、如果mem++，mmap可否成功？（不行）
7、mmap什么情况下会调用失败？（每个参数都有影响）
8、如果不检测mmap的返回值，会怎样？（会死得很难看）
总结：使用mmap时务必注意以下事项：
1、创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
2、当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限<=文件打开的权限（出于对映射区的保护）。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
3、映射区的释放与文件fd关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
4、特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
5、munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++、–操作。
6、如果文件偏移量必须为4k的整数倍。
7、mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。
/** mmap_test.cpp** Created on: Nov 11, 2019* Author: wlj*/#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>int main(void) {char *p = NULL;int fd = open("mytest.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);if (fd < 0) {perror("open error");return 0;}int len =ftruncate(fd,4);//if(len == -1){perror("ftruncate error");return 0;}p = (char *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(p == MAP_FAILED){perror("mmap error");return 0;}strcpy(p,"abc");//write dataint ret = munmap(p,4);if(ret == -1){perror("munmap error");return 0;}close(fd);return 0;
}mmap父子进程通信
父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags:
-MAP_PRIVATE：（私有映射）父子进程各自独占映射区。
-MAP_SHARED：（共享映射）父子进程共享映射区。
结论：父子进程共享：
1、打开的文件
2、mmap建立的映射区（但必须要使用MAP_SHARED）
练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，然后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。
/** mmap_test.cpp** Created on: Nov 11, 2019* Author: wlj*/#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>int data = 100;int main(void) {int *p = NULL;int fd = open("temp", O_CREAT | O_RDWR|O_TRUNC, 0644);if (fd < 0) {perror("open error");return 0;}unlink("temp");//删除临时文件目录项，使之具备被释放条件int len =ftruncate(fd,4);//if(len == -1){perror("ftruncate error");return 0;}
// p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);if(p == MAP_FAILED){perror("mmap error");return 0;}close(fd);pid_t pid=fork();if(pid<0){perror("fork error");return 0;}else if(pid == 0){*p =2000;data = 1000;printf("child,*p=%d,data = %d\n",*p,data);}else{sleep(1);printf("parent,*p=%d,data = %d\n",*p,data);wait(NULL);}int ret = munmap(p,4);if(ret == -1){perror("munmap error");return 0;}return 0;
}匿名映射
通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。可以直接使用匿名精映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。
使用MAP_ANONYMOUS(或MAP_ANON)，如
int *p = mmap(NUll, 4, PROT_READ|PROT_WRITE， MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
"4"随意举例，该位置大小，可依实际需要填写
注意：MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。
fd = open("/dev/zero", O_RDWR);p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE， MMAP_SHARED, fd, 0);
#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>int data = 100;int main(void) {int *p = NULL;p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
// p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);if(p == MAP_FAILED){perror("mmap error");return 0;}pid_t pid=fork();if(pid<0){perror("fork error");return 0;}else if(pid == 0){*p =2000;data = 1000;printf("child,*p=%d,data = %d\n",*p,data);}else{sleep(1);printf("parent,*p=%d,data = %d\n",*p,data);wait(NULL);}int ret = munmap(p,4);if(ret == -1){perror("munmap error");return 0;}return 0;
}mmap无血缘关系进程间通信
实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。
读数据
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>struct STU
{int id;char name[20];char sex;
}void sys_err(char *str)
{perror(str);exit(-1);
}int main(int argc, char *argv[])
{int fd;struct STU student;struct STU *mm;if(argc < 2){printf("./a.out file_shared\n");exit(-1);}fd = open(argv[1], O_RDONLY);if(fd == -1){sys_err("open error");}mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);if(mm == MAP_FAILED){sys_err("mmap error");}close(fd);while(1){printf("id=%d\t name=%s\t %c\n", mm->id, mm->name, mm->sex);sleep(2);}munmap(mm, sizeof(student));return 0;
}写数据
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>struct STU
{int id;char name[20];char sex;
}void sys_err(char *str)
{perror(str);exit(-1);
}int main(int argc, char *argv[])
{int fd;struct STU student = {10, "xiaoming", 'm'};char *mm;if(argc < 2){printf("./a.out file_shared\n");exit(-1);}fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0664);ftruncate(fd, sizeof(student));mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(mm == MAP_FAILED){sys_err("mmap error");}close(fd);while(1){memcpy(mm, &student, sizeof(student));student.id++;sleep(1);}munmap(mm, sizeof(student));return 0;}实现文件多进程拷贝
假设有一个超大文件，需对其完成拷贝工作。为提高效率，可采用多进程并行拷贝的方法实现。假设文件大小为len，共有n个进程对该文件进行拷贝。那每个进程拷贝的字节数应为len/n。但未必一定能整除，我们可以选择最后一个进程负责剩余部分拷贝工作。可使用***len%(len/n)***将剩余部分大小求出。
为降低实现复杂度，可选用mmap来实现源、目标文件的映射，通过指针操作内存地址，设置每个进程拷贝的起始、结束位置。借助MAP_SHARED选项将内存中所做的修改反映到物理磁盘上。
实现步骤：
1、指定创建子进程的个数
2、打开源文件
3、打开目的文件，不存在则创建
4、获取文件大小
5、根据文件大小拓展目标文件
6、为源文件创建映射
7、为目标文件创建映射
8、求出每个子进程该拷贝的字节数
9、创建N个子进程
10、子进程完成分块拷贝（注意最后一个子进程拷贝起始位置）
11、释放映射区
实现简单交互式shell
信号
信号的特质：由于信号是通过软件方法实现，其实现手段导致信号很强的延时性。但对于用户来说，这个延迟时间非常短，不易察觉。
每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的，内核处理
与信号相关的事件和状态
产生信号
1、按键产生，如：ctrl+c、ctrl+z、ctrl+
2、系统调用产生，如：kill、raise、abort
3、软件条件产生，如：定时器alarm
4、硬件异常产生，如：非法访问内存（段错误）、除0（浮点数例外）、内存对齐出错（总线错误）
5、命令产生，如：kill命令
递达：递达并且到达进程。
未决：产生和递达之间的状态。主要由于阻塞（屏蔽）导致该状态。
信号的处理方式：
1、执行默认动作
2、（处理完后）忽略（丢弃）
3、捕捉（调用户处理函数）
Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体，task_struct，除了包含进程id，状态，工作目录，用户id，组id，文件描述符表，包含了信号相关的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。
阻塞信号集（信号屏蔽字）：将某些信号加入集合，对他们设置屏蔽，当屏蔽x信号后，再收到该信号，该信号的处理将推后（解除屏蔽后）
未决信号集
1、信号产生，未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为1，表信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻转回为0。这一时刻往往非常短暂。
2、信号产生后由于某些原因（主要是阻塞）不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态。
信号的编号
可以使用kill -l命令来查看当前系统可使用的信号有哪些。
1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP
6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1
11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP
21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR
31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX
不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为实时信号，驱动编程与硬件相关。名字上区别不大。而前32个名字各不相同
信号4要素
与变量三要素类似的，每个信号也有其必备4要素，分别是：
1、编号
2、名称
3、事件
4、默认处理动作
可通过 man 7 signal 查看帮助文档获取。
默认动作：
Term：终止进程
Ign：忽略信号（默认即时对该种信号忽略操作）
Core：终止进程，生成Core文件。（查验进程死亡原因，用于gdb调试）
Stop：停止（暂停）进程
Cont：继续运行进程
9) SIGKILL和19) SIGSTOP信号，不允许忽略和捕捉，只能执行默认动作。甚至不能将其设置为阻塞。
Linux常规信号一览表
1)SIGHUP：当用户退出Shell时，由该Shell启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程。
2)SIGINT：当用户按下了ctrl+c组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
3)SIGQUIT：当用户按下ctrl+\组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
4)SIGILL：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件。
5)SIGTRAP：该信号由断点指令或其他trap指令产生。默认动作为终止进程并产生core文件。
6)SIGABRT：调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
7)SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存对齐出错，默认动作为终止进程并产生core文件。
8)SIGFPE：在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等所有的算法错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
9)SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略，处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了可以杀死任何进程的方法。
10)SIGUSR1：用户定义的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
11)SIGSEGV：指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生core文件。
12)SIGUSR2：另外一个用户自定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
13)SIGPIPE：Broken pipe向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
14)SIGALRM：定时器超时，超时的时间由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。
15)SIGTERM：程序结束信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和终止。通常用来表示程序正常退出。执行Shell命令kill时，缺省产生这个信号。默认动作为终止进程。
16)SIGSTKFLT：Linux早期版本出现的信号，现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。
17)SIGCHLD：子进程结束时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。
18)SIGCONT：如果进程已停止，则使其继续运行。默认动作为继续或忽略。
19)SIGSTOP：停止进程的执行。信号不能被忽略、处理和阻塞。默认动作为暂停进程。
20)SIGTSTP：停止终端交互进程的运行。按下ctrl+z组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。
21)SIGTTIN：后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。
22)SIGTTOU：该信号类似于SIGTTIN，在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。
23)SIGURG ：套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出信号，报告有紧急数据到达。如网络带外数据到达，默认动作为忽略该信号。
24)SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。
25)SIGXFSZ：超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。
26)SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM,但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间。默认动作为终止进程。
27)SIGPROF：类似于SIGVTALRM，它不包括该进程占用CPU时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止进程。
28)SIGWINCH：窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。
29)SIGIO：此信号向进程指示发出了一个异步IO事件。默认动作为忽略。
30)SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。
31)SIGSYS：无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生core文件。
34)SIGRTMIN ~ 64)SIGRTMAX：Linux的实时信号，它们没有固定的含义（可以由用户自定义）。所有的实时信号的默认动作都为终止进程。
信号的产生
终端按键产生信号
ctrl+c 2) SIGINT(终止/中断) "INT" -- Interrupt
ctrl+z 20)SIGTSTP(暂停/停止) "T" -- Terminal终端
ctrl+\ 3) SIGQUIT(退出)
硬件异常产生信号
除0操作： 8) SIGFPE(浮点数例外) “F” – float 浮点数
非法访问内存 ： 11)SIGSEGV(段错误)
总线错误 ： 7) SIGBUS
kill函数/命令产生信号
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）
int kill(pid_t pid, int sig);
返回值
成功：0
失败：-1（ID非法，信号非法，普通用户杀init进程等权级问题），设置errno。
参数
sig：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。
pid>0：发送信号给指定的进程。
pid=0：发送信号与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程。
pid<0：取|pid|发给对应进程组。
pid=-1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。进程组：每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程集合，他们相互关联，共同完成一个实体任务，每个进程组都有一个进程组长，默认进程组ID与进程组长ID相同。权限保护：super用户（root）可以发送信号给任意用户，普通用户是不能向系统用户发送信号的。kill -9(root用户的pid)是不可以的。同样，普通用户也不能向其他普通用户发送信号，终止其进程。只能自己创建的进程发送信号。普通用户基本规则是：发送者实际或有效用户ID==接收者实际或有效用户ID。
练习：循环创建5个子进程，任一子进程用kill函数终止其父进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>#define N 5int main(int argc, char *argv[])
{int i;pid_t pid,q;for(i = 0; i < N; i++){pid = fork();if(pid == 0)break;if(i == 2)q = pid;}if(i < N){while(1){printf("I am child %d, getpid() = %u \n", i+1, getpid());sleep(1);}}else{sleep(1);kill(q, SIGKILL);while(1);}// int ret = kill(getpid(), SIGKILL);// if(ret == -1)// exit(1);return 0;
}
raise和abort函数
raise函数
给当前进程发送指定信号（自己给自己发）
raise(signo) == kill(getpid(), signo)
int raise(int sig);
成功：0
失败：非0值
abort函数
给自己发送异常终止信号 6)SIGABRT 信号，终止并产生core文件。
void abort(void); 该函数无返回
软件条件产生信号
alarm函数
设置定时器（闹钟）。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一个定时器。
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
返回0或剩余的秒数，无失败。
常用：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。
例：alarm(5) --> 3sec --> alarm(4) --> 5sec --> alarm(5) --> alarm(0)
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……无论进程处于何种状态，alarm都计时。
练习：编写程序，测试你使用的计算机1秒钟能数多少个数
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{int i;alarm(1);for(i = 0; ; i++){printf("%d\n", i);}return 0;
}
使用time命令查看程序执行的时间。程序运行的瓶颈在于IO，优化程序，首选优化IO。
time ./alarm > out
实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间
setitimer函数
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。
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
返回值
-成功：0
-失败：-1，设置errno
参数which：指定定时方式
1、自然定时：ITIMER_REAL --> 14)SIGLARM，计算自然时间。
2、虚拟空间计时（用户空间）：ITIMER_VIRTUAL --> 26)SIGVTALRM，只计算进程占用CPU时间。
3、运行时计时（用户+内核）：ITIMER_PROF --> 27)SIGPROF，计算占用CPU及执行系统调用的时间。
/** my_alarm.cpp** Created on: 2019年11月13日* Author: wlj*/#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/time.h>unsigned int my_alarm(unsigned int sec)
{struct itimerval it, oldit;int ret;it.it_value.tv_sec = sec;it.it_value.tv_usec = 0;it.it_interval.tv_sec = 0;it.it_interval.tv_usec = 0;ret = setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oldit);if(ret == -1){perror("setitimer");exit(1);}return oldit.it_value.tv_sec;
}int main(void)
{int i;my_alarm(1);for(i=0;;i++){printf("%d\n",i);}return 0;
}拓展练习，结合man page编写程序，测试it_interval、it_value这两个参数的作用。
提示：
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。
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>void myfunc(int signo)
{printf("hello\n");
}int main(void)
{struct itimerval it, oldit;signal(SIGALRM, myfunc); //注册SIGALRM信号的捕捉处理函数,回调函数myfuncit.it_value.tv_sec = 5;it.it_value.tv_usec = 0;it.it_interval.tv_sec = 3;it.it_interval.tv_usec = 0;if(setitimer(ITIMER_REAL, &it, &oldit) == -1){perror("setitimer error");return -1;}while(1);return 0;
}
信号集操作函数
内核通过读取未决信号集来判断信号是否应被处理。信号屏蔽字mask可以影响未决信号集。而我们可以在应用程序中自定义set来改变mask。已达到屏蔽指定信号的目的
信号集设定
sigset_t set; //typedef unsigned long sigset_t;
int sigemptyset(sigset_t *set); 将某个信号集清0 成功：0；失败：-1
int sigfillset(sigset_t *set); 将某个信号集置1 成功：0；失败：-1
int sigaddset(sigset_t *set, int signum); 将某个信号加入信号集 成功：0；失败：-1
int sigdelset(sigset_t *set, int signum); 交某个信号清出信号集 成功：0；失败：-1
int sigismember(const sigset_t *set, int signum); 判断某个信号是否在信号集中 不在：0；在：1；出错：-1sigset_t类型的本质是位图。但不应该直接使用位操作，而应用使用上述函数，保证跨系统操作有效。
对比认知select函数。
sigprocmask函数
用来屏蔽信号、解除屏蔽也使用该函数。其本质，读取与修改进程的信号屏蔽字（PCB中）。
严格注意，屏蔽信号：只是将信号处理延后执行（延至解除屏蔽）；而忽略表示将信号丢弃处理。
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
返回值
成功：0
失败：-1，设置errno
参数
set：传入参数，是一个位图，set中哪位置1，就表示当前进程屏蔽哪个信号。
oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽集。
how参数取值：假设当前的信号屏蔽字为mask
SIG_BLOCK：当how设置为此值，set表示需要屏蔽的信号。相当于mask = mask | set
SIG_UNBLOCK：当how设置为此值，set表示需要解除屏蔽的信号。相当于`mask = mask & ~set`
SIG_SETMASK：当how设置为此值，set表示用于替代原始屏蔽集的新屏蔽集。相当于mask = set,若调用sigprocmask解除了对当前若干信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达
sigpending函数
读取当前进程的未决信号集。
int sigpending(sigset_t *set);
参数set为传出参数。
返回值
成功：0
失败：-1，设置errno
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