【Linux】信号

文章目录

• 一、信号概念
• • 1.1 信号的定义
  • 1.2 信号的编号及其描述
• 二、信号的产生
• • 2.1 按键产生
  • 2.2 系统调用
  • 2.3 硬件异常
  • 2.4 软件条件
• 三、信号的保存和处理
• • 3.1 信号的保存与阻塞
  • 3.2 信号的处理方式（捕捉）
  • 3.3 用户态和内核态
  • 3.4 信号处理流程

一、信号概念

1.1 信号的定义

  信号（signal）是一种软中断，它本质上是在软件层次上对硬件中断机制的一种模拟。信号可用于进程间通信、处理异常，它通过操作系统向一个进程或者线程发送一种异步通知，用于通知该进程或线程某种事件已经发生，需要做出相应的处理。同时，进程收到信号到处理这个信号之前，必须具备保存这个信号的能力。

1.2 信号的编号及其描述

  要处理信号，我们必需要先知道每种信号的类型及其对应的作用。在 Linux 中，信号被分类为标准信号和实时信号，每个信号都有一个唯一的编号（就是一个宏定义）。标准信号是最基本的信号类型，由整数编号表示，编号范围是 1 到 31。实时信号是 Linux 中的扩展信号类型，由整数编号表示，编号范围是 34 到 64，这里我们主要学习标准信号。

我们可以通过 kill -l 命名来查看信号的编号：

下面是常见的信号编号及其对应的描述：

二、信号的产生

2.1 按键产生

  我们在终端按下 Ctrl+C 组合键时，操作系统会识别这个动作并生成一个中断信号。键盘硬件通过中断控制器向 CPU 发送这个信号，然后操作系统的中断处理程序会捕获这个信号，并将其转换为软件信号 SIGINT。随后，操作系统的信号分发机制随后将 SIGINT 信号发送给当前终端的前台进程，执行该信号的处理函数。类似的还有其它键盘组合键 Ctrl+\ 、Ctrl+Z 等

2.2 系统调用

void abort(void)：发送 SIGABRT 信号终止调用进程
int raise(int sig)：向调用进程发送一个信号
int kill(pid_t pid, int sig)：向指定的进程ID发送一个信号

2.3 硬件异常

  信号产生，不一定非得用户显示的发送，有些情况下信号会在 OS 内部自动产生。比如程序中存在 除0和野指针错误，除0会使结果无穷大，引起状态寄存器溢出，标记位由 0 变成 1。OS 得知 CPU 发生运算异常，就会找到使状态寄存器的标记位变为 1 的进程，并发送信号终止这个进程了。同样的，野指针，CPU 在拿着这个虚拟地址进行页表映射时，就会发现相关的权限问题或者越界访问，然后发送信号终止这个进程。
  程序出现问题时，发送信号是一种有效的方式，让进程了解到发生了错误或异常。信号机制允许进程以受控的方式响应异常情况，避免错误扩散到操作系统的其他部分。通过信号，操作系统能够将异常隔离在单个进程中，同时允许进程采取适当的措施来处理错误，如记录日志、释放资源或优雅地退出。这样，即使某个进程遇到问题，也不会波及到整个操作系统的稳定性

2.4 软件条件

  比如当管道的读端被关闭，而写端进程仍然尝试写入数据时，操作系统会采取措施阻止这种无效的写操作。由于没有进程读取数据，继续写入变得没有意义。为了避免资源浪费和潜在的错误，操作系统会向写入进程发送一个 SIGPIPE （即 13 号信号）。这个信号的发送是由读端关闭这一软件条件触发的，目的是通知写进程其写入操作不再被需要，从而可以安全地终止写入操作，避免产生无效的输出。

定时器设定闹钟 : unsigned int alarm(unsigned int seconds)
  alarm 函数用于设置一个定时器，告诉操作系统在指定的 seconds 秒后向当前进程发送 SIGALRM 信号，其默认行为是终止该进程。该函数的返回值是上一次闹钟设置的剩余时间。如果 seconds 设置为 0，alarm 函数将取消之前设置的闹钟

三、信号的保存和处理

3.1 信号的保存与阻塞

  上面我们提到，进程收到信号到处理这个信号之前，必须具备保存这个信号的能力。而保存这个信号就是对描述信号结构体的特定字段进行修改，它是通过内核设定的位图结构来实现的。对此我们还要引入以下一组概念，因为信号还可以被阻塞的，阻塞后不会执行信号对应的处理方法

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
• 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)
• 进程可以选择阻塞某个信号，被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作
• 注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作

  所以我们学习信号主要看这三张表，收到一个信号时，先看信号有没有被阻塞，如果被阻塞了，进入信号未决状态，即在 pending 表中将该信号保存下来。没有被阻塞，就递达执行对应的方法。
  block 表和 pending 表都是使用内核中的位图结构 sigset_t 来实现，比特位的位置代表信号的编号。对此要对内核中的位图进行修改，我们必须要使用系统调用，即调用信号集操作函数

将信号集清空：int sigemptyset(sigset_t *set)
将信号集设置为包含所有信号：int sigfillset(sigset_t *set)
在信号集中添加指定信号：int sigaddset (sigset_t *set, int signo)
在信号集中删除指定信号：int sigdelset(sigset_t *set, int signo)
判断信号是否在信号集中：int sigismember（const sigset_t *set, int signo)
获取未决信号集：sigpending(sigset_t *set)

函数详解：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)
成功返回0，失败返回-1，并设置错误码
参数解释：
how：表示信号屏蔽字的操作方式，以下三选一
SIG_BLOCK：将set中的信号集合添加到当前的信号屏蔽字中
SIG_UNBLOCK：将set中的信号集合从当前的信号屏蔽字中移除
SIG_SETMASK：将set中的信号集合替换为当前的信号屏蔽字。
set：要设置的信号集合
oldset：保存之前的信号集合，便于恢复工作的展开

3.2 信号的处理方式（捕捉）

进程收到信号有以下三种处理方式：
1、忽略此信号
2、执行该信号的默认处理动作
3、自定义处理动作（即捕捉信号），提供一个信号处理函数，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

typedef void (*sighandler_t)(int)
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)
  要执行自定义处理动作，必须通过捕捉信号来实现。这需要为特定信号注册一个 signal 信号处理函数。如果在进程中成功注册了信号处理函数，当指定的信号被触发时，操作系统会中断进程的当前执行流程，不再执行默认的信号处理动作，而是调用这个注册的函数，即回调函数。这个回调函数接收一个参数，即触发的信号编号，并且没有返回值。

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact)

	struct sigaction { 	    void     (*sa_handler)(int); 	    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); 	    sigset_t   sa_mask; 	    int        sa_flags; 	    void     (*sa_restorer)(void); 	}; 

   sigaction 既是函数名又是一个结构体对象，在这里我们关注的是结构体中的两个关键部分，第一个和第三个成员。当某个信号的处理函数被调用时 ，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字 ，当信号处理函数返回时，会自动恢复原来的信号屏蔽字。这样就可以防止同一信号的重复触发，如果在调用信号处理函数时, 还希望自动屏蔽另外一些信号 , 则在 sa_mask 字段中添加即可。同时需注意，如果信号未决时，解除了该信号的屏蔽，那么执行 handler 方法之前，会把 pending 表中的该信号由 1 置 0
  并不是所有信号都能被捕捉，一些信号的设计具有强制性和即时性，以确保操作系统在遇到严重错误时，能够立即采取行动。比如 SIGKILL 9号信号和 SIGSTOP 19信号，它们用于立即终止或暂停进程，不能被捕捉或忽略，以此保持了操作系统对进程的最终控制权。不然所有信号被捕捉之后，进程将不再受操作系统控制

3.3 用户态和内核态

  我们编写的用户态代码虽独立于操作系统内核，但常需通过系统调用来访问系统资源或硬件设备。系统调用是用户态程序与内核态之间的桥梁，它们允许进程在用户态和内核态之间切换。由于身份转换和执行内核代码需要时间，频繁的系统调用可能导致性能开销。
  进程在执行时，其上下文信息，包括寄存器状态，必须载入 CPU。寄存器中有些是可见的，如 eax、ebx 等，负责存储临时数据；还有些不可见寄存器，如状态寄存器，控制着 CPU 的状态。特别地，CR3 寄存器存储用户级页表的起始地址，其值的变化标志着进程运行模式的切换，0 代表内核态，3 代表用户态，确保了系统能够有效区分当前执行的是用户态还是内核态的代码。
下面我们来进一步理解进程地址空间：
  操作系统中，每个进程地址空间顶部的 3-4GB 空间是专门保留给内核使用的，这片空间对于所有进程都是一样的。它们共享同一份内核级页表，映射到操作系统的物理内存。在这 3-4GB 的内核空间内，进程通过执行系统调用来请求操作系统服务，这些服务包括文件操作、进程控制、网络通信等。当系统调用被触发时，CPU 的控制权从用户态转移到内核态，操作系统执行相应的服务，然后再将控制权安全地交还给用户态程序。这个过程虽然涉及到从用户态到内核态的切换，但在逻辑上，每个进程都可以通过自己的地址空间独立访问内核资源。这种设计使得内核资源可以高效地被所有进程利用，同时保持了内存使用的优化。

3.4 信号处理流程

  在用户空间中，信号处理函数的执行涉及复杂的上下文切换。通过系统调用，陷入内核，如果当用户程序注册了信号的处理方法 handler，就会转回用户态，执行自定义的 handler 函数。值得注意的是，sighandler和main 函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在直接的调用关系，而是作为两个独立的控制流程并行存在，所以我们可以在程序的任意位置注册某个信号的方法。当 handler 函数执行完毕，它将通过一个特殊的系统调用 sigreturn 重新陷入内核态。在内核态即将返回用户态的时候，会对信号进行检测，如果没有新的信号要递达，就会返回 main 函数，执行程序剩下的代码