Linux 信号

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1. 信号

1.1 前言

在 Linux 中，信号是一种用于进程之间的通信机制，通常是异步的，也就是进程随时都可以收到信号，可以通过信号来通知进程发生了什么事，并且进程可以马上对这个信号做出反应和处理

在 Linux 中输入 kill -l可以得到信号的编号以及这些信号大概代表的是什么，常见的比如 9 号信号就是常见的强制杀死进程信号，以及 11 号就是段错误，具体点就是空指针，指针越界这些异常了，还有Ctrl + C 终止信号是 2 号信号。
(注意：信号是从 1 开始的，没有 0 号信号)

虽然总共有 64 个信号，但是前 32 个信号被称为核心信号，现在更关注的也是这前 32 个信号，用的也很频繁，通常用于程序的各种异常问题

1.2 信号的位置

操作系统随时都可能会给进程发送信号，而且还可能连续发送，进程收到信号之后，可能也不会马上处理，手头可能有优先级更高的事，甚至有可能直接忽略这个信号

先来了解一下信号的三种状态

① 递达（Delivery）

• 当进程收到信号之后，就直接执行该信号的处理方法，称为 信号递达，也就是 处理信号

② 未决（Pending）

• 当信号到达的时候，进程不会马上处理这个信号，先放着，称为 未决，即暂时不处理

③ 阻塞 （Block）

• 如果某个信号被设为阻塞，那么进程收到这个信号的时候，会将这个信号置为 未决 状态，并且阻塞如果不取消，这个信号会一直得不到处理

在 task_struct 中，可以理解成存储了关于 32 个信号对应的 3 个数据结构，这三结构就是 block，pending，delivery。并且 pending 和 block 可以理解为位图

① 比方说，1 号信号在 pending 位图中对应的标志位为 1，那么说明这个信号暂时不被处理，但是当操作系统识别到这个 1 的时候，就会执行相应的处理函数（如果没被屏蔽的话）
② delivery 结构存储了关于这些信号的处理方法
③ block 中如果对应的 1 号信号为 1，那么说明接下来进程如果收到 1 号信号，那么会将 pending 中关于 1 号信号对应的标志位设为 1，表示 未决，暂时不处理

其中，delivery存储了某个信号对应的处理方法，⭐「处理方法」包括三种：默认，忽略（不处理），用户自定义。并且 Linux 为默认和忽略提供了宏：默认 —— SIG_DFL，忽略 —— SIG_IGN，而每个信号都有各自默认的处理方法

1.3 接口

1.3.1 sigset_t

首先认识一个数据结构 sigset_t，这个数据结构可以用来表示一个信号集，可以表示某个信号的状态。

• 可以理解成一个位图，比方说，1 号信号在里面的比特位为1，那么表示有效；反之，0 表示无效，或者说没有这个信号

并且这个结构可以用来表示 block 和 pending，意义也是一样的，比如 sigset_t pendings，如果 1 号信号在里面的标志位为 1，那么表示 1 号信号在这个进程中的状态是未决的

1.3.2 信号集操作接口

1. sigemptyset(sigset_t* set) 					清空信号集，全部置0就对了
2. sigfillset(sigset_t* set) 					将信号集全置 1
3. sigaddset(sigset_t* set, int signo)  		将某个信号在这个信号集中标记为 有效
4. sigdelset(sigset_t* set, int signo) 			将某个信号在这个信号集中标记为 无效
5. sigismember(const sigset_t set, int signo) 	这个信号在信号集中是否 有效

这里面就是各种对 sigset_t 的操作了，后面举例子

1.3.3 signal

上面不是说信号的处理方法有三种吗，而自定义处理方法就可以通过这个函数来指定

• signum 表示要处理的信号，handler表示函数指针，就是自己定的函数了

(sigaction接口也可以修改信号对应的处理方案，signal 相对于它来说是简化版的)

举个例子：在进程中设置对 2 号信号的捕捉，捕捉之后打印一段话。之后对这个进程发送 2 号信号，这时候就会执行我们绑定的自定义函数了

1.3.4 sigprocmask

作用：修改进程的阻塞信号集（block）

how 参数常见的可以有 3 个值，假设当前进程的 信号屏蔽集为 block

• SIG_BLOCK：往阻塞信号集中添加set中有效的信号，相当于让当前进程的 block | set
• SIG_UNBLCOK：往阻塞信号集中去掉 set 中有效的信号，相当于让当前进程的 block | ~set
• SIG_SETMARK，让当前进程的 block = set

oset 是输出型参数，如果不为空，那么会返回变化之前的 block ，便于后续恢复；如果不关心之前的状态，设为 NULL 就好了

举个例子
屏蔽之后 2 号信号怎么处理？当然可以在程序中定期扫描没有处理的信号，也可以将 2 号信号的屏蔽字恢复为 0，比如：在后面将程序对 2 号信号的屏蔽取消之后，这个进程就会被终止了

可以看出虽然 pending 中 2 号信号有效，但是由于屏蔽字，2 号信号的处理被拖延了。但是我们一旦取消屏蔽，而pending 中 2号依然有效，2 号信号的处理函数就会被执行

1.3.5 sigpending

这个很简单了

• set：输出型参数，会得到进程的 pending 集合，返回 0 表示一切顺利

2. 信号的处理

当进程收到信号之后，pending 中对应的标志位会被置为 1，然后⭐进程每次陷入内核态，再从内核态切换回用户态之前，内核大多会检查进程的信号状态，以处理这些未处理的信号，处理完后，对应标志位置为 0

先了解一下内核态和用户态

2.1 内核态和用户态

还记得虚拟地址空间吗，在 32 位下，虚拟地址空间中有 1G 内核空间，但是这部分空间不使用普通的页表，这 1G内核空间有自己独有的页表 —— 内核级页表，不同于用户空间的页表中 —— 每个进程都有一个自己的用户页表，而内核级页表所有进程共享，操作系统自己的数据和代码就是通过内核页表映射到物理内存上的

操作系统的代码数据必然不允许被随便访问，所以内核态页表带有权限验证。

• 而进程的内核态和用户态其实就相当于两个身份，如果进程是内核态，那么也就可以访问内核的页表，也就可以访问所有内核代码数据，用户级的代码和数据当然也可以访问。内核态是特权模式，可以访问操作系统的数据和代码，也可以访问硬件设备，执行速度较快。

当进程需要从用户态切换成内核态的时候，会修改处理器的特权等级，从 3（用户态）改成 0（内核态），这里的处理器包括（CR0，CR3，CR4寄存器），当从用户态转化成内核态的时候，会保存用户态的上下文信息，并加载内核态的上下文信息，然后就可以访问内核态的页表，执行操作系统的内置代码，比如进程调度，异常处理等操作，当工作完成后，就会拿着计算结果，恢复用户态的上下文数据，再返回给用户，然后回到刚刚中断的代码后继续执行

总之，在程序的运行过程中，操作系统无形中会大量地访问系统硬软件资源，在这些访问过程中，操作系统都会切换成内核态，使用内核页表，然后调用内核部分的代码，最终再拿着计算的结果切换成用户态返回给用户

2.2 信号的监测和处理

所以当一个进程收到操作系统发送的信号之后，首先做的就是将 pending 中将对应的信号有效位置为 1，而该信号的处理一般是等到进程下一次嵌入内核态，再从内核态切换回用户态之前，因为在这之前，操作系统大都会检查该进程的信号状态。

• 假设当前有个进程收到了信号 2，那么pending 上的相应位置也会被置为 1
• 然后该进程突然执行了 write 等系统调用，就需要切换成内核态来执行操作系统的代码，以及访问硬件资源。然后按理来说，执行完 write 的时候，就应该拿着执行结果切回用户态返回给程序了
• 但是在这之前，操作系统会以内核态的身份检查该进程的 pending 和 block，如果 block中某信号标志位为 1，那么说明被屏蔽了，不用管它，而如果 block = 0, pending = 1 ，说明这个信号现在需要被处理
• 如果信号的处理方法是 SIG_IGN，那么就忽略，将结果返回给用户，并从中断处继续往下执行
• 如果信号的处理方法是 SIG_DEL，那么操作系统还是在内核态执行处理方法，比如终止进程...
• 如果该信号的处理方法是用户自定义的函数，那么要执行这个函数，就又需要切换成用户态来执行这个处理函数（如果代码是恶意代码，那么以内核态的身份执行就存在风险）
• 处理完这个函数之后，也不能直接将结果从用户层返回，因为还需要继续回到内核态，执行内核代码，比如更新进程的状态数据，在内核态中执行信号处理程序的收尾工作等
• 最后再拿着执行结果返回给用户，从系统调用 write 处继续往后执行
• 就完成了一次信号的处理