深入了解linux系统—— 信号的捕捉

前言

信号从产生到处理，可以分为信号产生、信号保存、信号捕捉三个阶段；了解了信号产生和保存，现在来深入了解信号捕捉。

信号捕捉

对于1-31号普通信号，进程可以立即处理，也可以不立即处理而是在合适的时候处理；

在合适的时候处理信号，什么时候合适呢？

信号捕捉的流程

要了解信号捕捉的流程，先要了解内核态和用户态；

简单来说，内核态就是以操作系统的身份去运行；而用户态就是以用户的身份去运行。（后面再详细说明）

这里直接来看信号捕捉的流程：

我们的进程在正常执行，在执行到某条指令，因为系统调用、中断或异常从而进入内核；

而内核处理完异常之后，准备回到用户之前，就会处理当前进程可以递达的信号；

处理信号，执行so_signal方法，如果进程对于信号是自定义捕捉，处理信号就要从内核态回到用户态处理信号；

自定义捕捉完信号之后，就要再回到内核态，然后由内核态再回到用户态，从上次被中断的地方继续向下执行。

以自定义捕捉为例，信号捕捉的流程如下图所示：

在这里插入图片描述

所以，在信号捕捉的整个流程中，存在4次用户态和内核态的转换；简化成以下图：

在这里插入图片描述

简单总结描述信号捕捉流程：

用户进程执行
进程在用户空间正常执行代码

进入内核
发生系统调用/中断/异常 → CPU自动切换到内核态

内核处理事件
内核完成系统调用/中断/异常的处理

信号检查
内核返回用户态前检查信号：
有未处理且未阻塞的信号？ → 继续
无信号 → 直接返回用户态

准备信号处理（针对自定义信号）
内核在用户栈创建"信号栈帧"（包含）：
信号处理函数地址
原始执行状态（寄存器值）
rt_sigreturn系统调用地址

第一次返回用户态
内核修改CPU状态：
指令指针 → 信号处理函数
栈指针 → 新信号栈帧

切换到用户态执行信号处理函数

信号处理完成
信号处理函数执行结束（return语句）
自动跳转到rt_sigreturn系统调用

第二次进入内核
执行rt_sigreturn系统调用 → 进入内核态
内核从信号栈帧恢复原始状态

最终返回用户态
内核切换回用户态
进程从当初被中断的位置继续执行

操作系统运行

要了解操作系统是如何运行的，就要先了解一些硬件相关知识

硬件中断

硬件中断是外部硬件设备（如键盘、鼠标、硬盘、网卡、定时器芯片等）向 CPU 发出的一种紧急通知信号，意思是“我有重要的事情需要你马上处理！”

就像OS是如何知道键盘上有数据那样，并不是OS定期去排查，而是键盘给CPU发送中断，从而让CPU执行OS中对应的方法。

在这里插入图片描述

如上图所示，存在一个中断控制器，其中每一个中断号都对应一个外部设备；

当外部设备就绪时，就会向中断控制器发送中断，中断控制器就会通知CPU存在中断；（向CPU对应针脚发送高低电频）
CPU就会获取中断号，然后中断当前工作并保护现场(保存临时数据等)；
在OS中存在中断向量表，其中存储了对于每一个中断号的对应处理方法；
CPU就会根据中断号，去执行中断向量表这对应的中断处理方法。

中断向量表是操作系统的一部分，在启动时就会加载到内存；

通过外部硬件中断，操作系统就不需要对外设进行周期性检测；而是当外部设备触发中断时，CPU就会执行对应的中断处理方法。

这种由外部设备触发，中断系统运行流程，称为硬件中断

时钟中断

有了硬件中断，操作系统就无序去对外设进程周期性检测；

而操作系统不光要管理硬件资源，也要进行进程调度；那能否按照硬件中断的原理，定期的向CPU发送中断，从而定期的执行操作系统的进程调度方法。

在这里插入图片描述

所以，就有了时钟源（当代已经集成在CPU内部）；就会定期的向CPU发送中断，CPU通过中断号去执行中断向量表中对应的进程调度方法。

那这样，定期的向CPU发送中断，也就是定期执行进程调度方法；那进程的时间片，本质上就是一个计数器了，每次调度进程就让进程的时间片计数器--，当减到0时就说明进程时间片用完，就指定进程调度算法，执行下一个进程。

而CPU存在主频，主频指的就是时钟源向CPU发送中断的频率，主频越快，CPU单位时间内就能够完成更多的操作；CPU就越快。

死循环

有了硬件中断和时钟中断，那操作系统只需要将对应功能添加到中断向量表中，那操作系统还需要干什么呢？

操作系统的本质：就是死循环

void main()
{//......for(;;)pause();
}

通过查看内核，我们也能够发现，操作系统在做完内存管理等任务之后，就是死循环。

软中断

上述硬件中断、时钟中断都是由硬件触发的中断；除此之外呢，也可能因为软件原因触发上述中断。

为了让操作系统支持进行系统调用，CPU中也设计了汇编指令int（或者syscall），让CPU内部触发中断逻辑。

在这里就要了解一下系统调用了，在之前的认知中，系统调用是由操作系统通过的，我们是直接调用系统调用；

但是，在操作系统中，所有的系统调用都存储在一张系统调用表当中；（这张系统调用表用于系统调用中中断处理程序）

我们所调用的系统调用open、write等等，都是由glibc封装的；

而想要让CPU执行对应的方法，就要让CPU直到对应的系统调用号；

CPU根据系统调用号，然后查表才能调用对应的方法。

在这里插入图片描述

通过观察，我们也可以发现在glibc的封装实现，是先将系统调用号写入寄存器eax；然后再syscall触发软中断，让CPU根据eax寄存器中的系统调用号执行对应的方法。

内核态和用户态

在信号捕捉流程中，存在一个概念就是：内核态和用户态；

我们知道在进程运行时，通过系统调用或者中断等等陷入内核，进入内核态；而在进行自定义处理时，再有内核态回到用户态；自定义处理完成之后，再通过特定的系统掉用再进入内核态；最后才回到最初中断的位置，由内核态进入用户态。

那内核态和用户态是什么呢？

简单来说，内核态就是以操作系统的身份执行；用户态就是以用户的身份执行。

在虚拟地址空间（进程地址空间中），[0,3]GB是用户空间，我们程序的代码数据、动态库等等都在用户这3GB中；而[3,4]GB是内核空间；

在我们的程序中，我们可以返回自己实现的方法、可以调用库函数；这都是在[0,3]GB用户空间内进行跳转的。
执行对应的代码时，使用用虚拟地址通过页表（用户页表）映射物理地址处，就可以找到对应的代码和数据。

而在我们调用系统调用时，在进程地址空间中，就要从[0,3]GB用户空间跳转到[3,4]GB的内核空间；这样在执行时，通过内核页表映射，找到对应内核的代码运行。

当然，在内核中存在许多进程，这些进程都可能会调用系统调用；而在每一个进程的进程地址空间中的[3,4]GB都是内核空间，都可以通过页表（内核页表）映射，找到内存中操作系统的代码。

所以，我们在进行系统调用时，不用去担心进程能否在内存中找到对应的地址，因为在进程[3,4]GB内核空间中，有了虚拟地址，通过内核页表映射，就能够在内存找到对应的物理地址。

所以，系统调用的执行就是在进程地址空间中进行的。

说了这么多，简单总结就是：

用户态就是，在进程地址空间中，通过[0,3]GB用户空间的虚拟地址，进行页表映射，执行用户自己的代码
内核态就是，通过[3,4]GB内核空间的虚拟地址，进行页表映射，执行操作系统的代码

问题：如何知道虚拟地址是[0,3]GB用户空间的地址还是[3,4]GB内核空间的地址？(CPU执行时如何知道是用户态还是内核态）

在页表当中，记录的不仅仅是虚拟地址和物理地址的映射关系，还用权限（r、w）以及当前身份。

此外，在硬件上也存在对应标志：CPU中的Cs段寄存器对应标志位：00（二进制）代表内核、11（二进制）代表用户。

可重入函数

可重入函数是指可以被多个执行流（例如线程、中断处理程序、信号处理程序）同时调用，而不会产生错误或意外结果的函数。

简单来说就是：

一个可重入函数在执行过程中，如果被另一个执行流打断并再次进入该函数，当恢复执行时，它仍然能够正确完成其任务，不会破坏自身的数据或全局状态。

在这里插入图片描述

如上图所示，在调用insert时，执行至某位置，进程收到信号转而去执行handler方法，而在handler方法中有调用了insert方法；这样导致了最终的结果不符合我们的预期。

对于一个可重入函数，该函数要满足：

不使用静态（全局）或非常量静态局部变量： 这些变量在内存中只有一份拷贝，如果多个执行流同时修改它们，会导致数据不一致。
不返回指向静态数据的指针： 调用者可能会修改这些数据，影响其他执行流。
仅使用调用者提供的数据或自己栈上的局部变量： 每个执行流（线程/函数调用实例）都有自己的栈空间，局部变量是独立的。
不调用不可重入的函数： 如果它调用的函数本身是不可重入的（比如使用了全局状态），那么它自己也就变得不可重入了。
不修改自身的代码： 通常这不是问题，但某些特殊场景（如自修改代码）需要考虑。
不依赖外部硬件状态（除非以原子方式访问）： 比如多个执行流同时操作同一个硬件寄存器可能造成冲突。

volatile

volatile是C语言中的一个关键字，这个关键字的在之前的学习中并没有使用过；

volatile关键字用来修饰一个变量，其作用就是，告诉编译器该变量的值可能会变化，让编译器不要对其进程优化，让CPU每次访问该变量的值都从内存中获取。

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>int flag = 0;
void handler(int signum)
{std::cout << "change flag 0 -> 1" << std::endl;flag = 1;
}
int main()
{signal(2, handler);int cnt = 0;while (!flag){std::cout << "flag :" << flag << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

在上述代码中，main函数while(!falg)，当flag = 0时，循环一直在进行；

当进程收到2号信号时，执行自定义处理handler方法，修改falg；

预期结果就是：进程在收到2号信号时，flag修改为1，循环就结束了。

正常来说，CPU在执行进程时，访问flag变量都是从内存中读取；而在main函数中并没有修改flag变量，一些编译器就会对其进行优化，将flag变量直接写入CPU寄存器中。

而volatile修饰变量就是告诉编译器不要进行优化，每次都从内存中读取变量的值。

SIGCHLD信号

这里简单了解一些SIGCHLD信号；

SIGCHLD信号是子进程退出时，操作系统给父进程发送的一个信号。

我们知道，子进程在退出时，会进入僵尸状态，等待父进程回收退出信息；就要父进程等待子进程。

而如果我们不关心子进程的退出信息，我们就可以将父进程对于SIGCHILD信号的处理方式设置成SIG_IGN；

这样子进程在退出时，操作系统给父进程发送SIGCHLD信号，父进程SIG_IGN，此时子进程的task_struct就会立即被回收，不需要父进程等待。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{signal(SIGCHLD, SIG_IGN);int id = fork();if(id < 0)exit(1);else if(id == 0){printf("child process pid : %d\n",getpid());sleep(1);exit(1);}int cnt = 3;while(cnt--){printf("parent process pid : %d\n",getpid());sleep(1);}return 0;
}