Linux内核信号处理机制介绍

 

本文简单介绍下Linux信号处理机制，为介绍二进制翻译下信号处理机制做一个铺垫。
本文主要参考书目《Linux内核源代码情景分析》《独辟蹊径品内核:Linux内核源代码导读》
首先，先说一下什么是信号。信号本质上是在软件层次上对中断机制的一种模拟，其主要有以下几种来源：

1. 程序错误：除零，非法内存访问…
2. 外部信号：终端Ctrl-C产生SGINT信号，定时器到期产生SIGALRM…
3. 显式请求：kill函数允许进程发送任何信号给其他进程或进程组。

在Linux下，可以通过以下命令查看系统所有的信号：

kill -l

可以通过类似下面的命令显式的给一个进程发送一个信号：

kill -2 pid

上面的命令将2号信号发送给进程id为pid的进程。不存在编号为0的信号。

目前Linux支持64种信号。信号分为非实时信号(不可靠信号)和实时信号（可靠信号）两种类型，对应于 Linux 的信号值为 1-31 和 34-64。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。本文着重于Linux的信号处理机制，对信号更多的介绍可以参考这里。

一般情况下一个进程接受到信号后，会有如下的行为：

进程对信号的响应

1. 忽略信号：大部分信号可被忽略，除SIGSTOP和SIGKILL信号外（这是超级用户杀掉或停掉任意进程的手段）。
2. 捕获信号：注册信号处理函数，它对产生的特定信号做处理。
3. 让信号默认动作起作用：unix内核定义的默认动作，有5种情况：
   • a) 流产abort：终止进程并产生core文件。
   • b) 终止stop：终止进程但不生成core文件。
   • c) 忽略：忽略信号。
   • d) 挂起suspend：挂起进程。
   • e) 继续continue：若进程是挂起的，则resume进程，否则忽略此信号。

注册信号处理函数

如果想要进程捕获某个信号，然后作出相应的处理，就需要注册信号处理函数。同中断类似，内核也为每个进程准备了一个信号向量表,信号向量表中记录着每个信号所对应的处理机制，默认情况下是调用默认处理机制。当进程为某个信号注册了信号处理程序后，发生该信号时，内核就会调用注册的函数。

注册信号处理函数是通过系统调用signal()、sigaction()。其中signal()在可靠信号系统调用的基础上实现, 是库函数。它只有两个参数，不支持信号传递信息，主要是用于前32种非实时信号的安装；而sigaction()是较新的函数（由两个系统调用实 现：sys_signal以及sys_rt_sigaction），有三个参数，支持信号传递信息，主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用，当然，sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。关于这方面的内容，如果想获取更多，也可参考这里。

Linux下信号处理机制

进程如何发现和接受信号？

我们知道，信号是异步的，一个进程不可能等待信号的到来，也不知道信号会到来，那么，进程是如何发现和接受信号呢？实际上，信号的接收不是由用户进程来完成的，而是由内核代理。当一个进程P2向另一个进程P1发送信号后，内核接受到信号，并将其放在P1的信号队列当中。当P1再次陷入内核态时，会检查信号队列，并根据相应的信号调取相应的信号处理函数。如下图所示：

其中，动作c：发现和捕捉信号

信号检测和响应时机

刚才我们说，当P1再次陷入内核时，会检查信号队列。那么，P1什么时候会再次陷入内核呢？陷入内核后在什么时机会检测信号队列呢？

1. 当前进程由于系统调用、中断或异常而进入系统空间以后，从系统空间返回到用户空间的前夕。
2. 当前进程在内核中进入睡眠以后刚被唤醒的时候（必定是在系统调用中），或者由于不可忽略信号的存在而提前返回到用户空间。

进入信号处理函数

发现信号后，根据信号向量，知道了处理函数，那么该如何进入信号处理程序，又该如何返回呢？

我们知道，用户进程提供的信号处理函数是在用户态里的，而我们发现信号，找到信号处理函数的时刻处于内核态中，所以我们需要从内核态跑到用户态去执行信号处理程序，执行完毕后还要返回内核态。这个过程如下图所示：

如图中所见，处理信号的整个过程是这样的：进程由于  系统调用或者中断  进入内核，完成相应任务返回用户空间的前夕，检查信号队列，如果有信号，则根据信号向量表找到信号处理函数，设置好“frame”后，跳到用户态执行信号处理函数。信号处理函数执行完毕后，返回内核态，设置“frame”，再返回到用户态继续执行程序。

在上面这段话中，我提到“frame”，frame是什么？那么为什么要设置frame？为什么在执行完信号处理函数后还要返回内核态呢？

什么叫Frame？

在调用一个子程序时，堆栈要往下（逻辑意义上是往上）伸展，这是因为需要在堆栈中保存子程序的返回地址，还因为子程序往往有局部变量，也要占用堆栈中的空间。此外，调用子程序时的参数也是在堆栈中。子程序调用嵌套越深，则堆栈伸展的层次也越多。在堆栈中的每一个这样的层次，就称为一个”框架”，即frame。

一般来说，当子程序和调用它的程序在同一空间中时，堆栈的伸展，也就是堆栈中框架的建立，过程主要如下：

1. call指令将返回地址压入堆栈（自动）
2. 用push指令压入调用参数
3. 调整堆栈指针来分配局部变量

为什么以及怎么设置frame？

我们知道，当进程陷入内核态的时候，会在堆栈中保存中断现场。因为用户态和内核态是两个运行级别，所以要使用两个不同的栈。当用户进程通过系统调用刚进入内核的时候，CPU会自动在该进程的内核栈上压入下图所示的内容：（图来自《Linux内核完全注释》）

在处理完系统调用以后，就要调用do_signal()函数进行设置frame等工作。这时内核堆栈的状态应该跟下图左半部分类似（系统调用将一些信息压入栈了）：

在找到了信号处理函数之后，do_signal函数首先把内核堆栈中存放返回执行点的eip保存为old_eip，然后将eip替换为信号处理函数的地址，然后将内核中保存的“原ESP”（即用户态栈地址）减去一定的值，目的是扩大用户态的栈，然后将内核栈上的内容保存到用户栈上，这个过程就是设置frame.值得注意的是下面两点：

1. 之所以把EIP的值设置成信号处理函数的地址，是因为一旦进程返回用户态，就要去执行信号处理程序，所以EIP要指向信号处理程序而不是原来应该执行的地址。
2. 之所以要把frame从内核栈拷贝到用户栈，是因为进程从内核态返回用户态会清理这次调用所用到的内核栈（类似函数调用），内核栈又太小，不能单纯的在栈上保存另一个frame（想象一下嵌套信号处理），而我们需要EAX（系统调用返回值）、EIP这些信息以便执行完信号处理函数后能继续执行程序，所以把它们拷贝到用户态栈以保存起来。

以上这些搞清楚之后，下面的事情就顺利多了。这时进程返回用户空间，就会根据内核栈中的EIP值执行信号处理函数。那么，信号处理程序执行完后，怎么返回程序继续执行呢？

信号处理函数执行完后怎么办？

信号处理程序执行完毕之后，进程会主动调用sigreturn()系统调用再次回到内核，查看有没有其他信号需要处理，如果没有，这时内核就会做一些善后工作，将之前保存的frame恢复到内核栈，恢复eip的值为old_eip，然后返回用户空间，程序就能够继续执行。至此，内核遍完成了一次（或几次）信号处理工作。