Linux操作系统~信号处理的底层原理

目录

1.信号在内核中的表示

信号处理的方法

2.信号的递达，未决，阻塞

3.信号集操作函数

（1）.sigset_t（信号集类型）

 （2）.信号集函数

（3）.sigprocmask函数—修改block表

（4）.测试

4.信号处理流程

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1.信号在内核中的表示

        在进程的task_struct里面有三张表来存储信号相关的信息，分别是block表，pending表，handler表。block表和pending表是位图结构。

        block表用于表示当前信号是否被阻塞，比特位的位置代表信号的编号，比特位对应的值代表信号是否被阻塞，0表示未被阻塞，1表示被阻塞。

        pending表用于表示当前信号是否处于未决状态（就是是否有信号要处理），比特位的位置代表信号的编号，比特位对应的值代表信号是否收到该信号，0表示未收到，1表示收到。

         handler表用于保存进行信号递达（信号处理）时的处理方法，是一个指针数组，存放的是处理函数的指针。

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信号处理的方法

信号处理有三种方式：

1.默认：如果要终止进程，直接终止进程，释放进程资源。如果要暂停进程，把进程状态设置为stop，放到等待队列里面就行。

2.忽略：将pending里面的1置为0，然后直接返回就行。

3.自定义捕捉：执行用户提供的信号处理函数handler。比如我们要处理信号4，此时我们处于内核态，根据4号信号的handler表里面找到用户定义的handler函数地址，然后切换到用户态执行信号处理函数（这里调用handler对操作系统来说相当于是一次回调）。

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2.信号的递达，未决，阻塞

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)——自定义捕捉，默认，忽略（忽略就是把pending表/递达表从1置0）
• 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)——本质是这个信号被暂存在task_struct信号位图中，未决

        进程可以选择阻塞(Block )某个信号——本质是OS，允许进程暂时屏蔽指定的信号（之后再处理/递达）

被阻塞的信号：

1.该信号依旧是未决的

2.该信号不会被递达，直到解除阻塞！方可递达

• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程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,而忽略是在递达时可选的一种处理动作。

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3.信号集操作函数

（1）.sigset_t（信号集类型）

        未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。

        就像是一个unsigned int

        虽然sigset_t 是一个位图结构，但是不同的OS实现是不一样的，不能让用户直接修改该变量，需要使用特定的函数

 （2）.信号集函数

#include

int sigemptyset(sigset_t *set);

int sigfillset(sigset_t *set);

int sigaddset (sigset_t *set, int signo);

int sigdelset(sigset_t *set, int signo);

int sigismember（const sigset_t *set, int signo);  //判断当前信号是否在信号集中

1. 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号。
2. 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置位,表示 该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
3. 注意,在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。

（3）.sigprocmask函数—修改block表

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)，也就是block位图

• 第一个参数how可以用以下宏        
• 第二个参数set是一个输入型参数，表示一个信号集（需要我们在用户层面使用信号集函数指定好信号集）
• 第三个参数oset是一个输出型参数，把老的信号集返回出来

（4）.测试

1.首先定义两个信号集，iset和oset，之后作为参数传到sigprocmask里面。

2.往iset里面加入2号信号

3.调用sigprocmask函数将2号信号设置为阻塞

4.结果：一直循环打印“zebra”，使用kill -2或者Ctrl+C没有反应。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{

    sigset_t iset, oset;
    sigemptyset(&iset);
    sigemptyset(&oset);

    sigaddset(&iset, 2); // 往iset里面加上2号信号
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &iset, &oset);
    int count = 0;
    sigset_t pending;
    while (1)
    {
        printf("zebra\n");
    }
    return 0;
}

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4.信号处理流程

 首先我们来了解一下什么是内核态，什么是用户态。

• 内核态：执行OS的代码和数据时，计算机所处的状态就叫做内核态。OS的代码的执行全部都是在内核态
• 用户态：就是用户代码和数据被访问或者执行的时候，所处的状态。我们自己写的代码全部都是在用户态执行的

    其主要区别在于权限不同，内核态的权限更高。

大致流程：

        我们在用户态发起系统调用（或者进程时间片到了，要切换进程，必须进入内核态，让操作系统来执行进程切换）后会进入内核态执行系统调用，执行完以后根据task_struct里面的pendng表，block表，和handler表（两个位图一个函数指针数组），检测是否有信号要处理，如果有一个信号block表里面是0，pending表里面是1，表示信号需要递达。此时我们根据handler表找到用户定义的自定义信号处理方法handler，切换到用户态执行handler方法（如果是默认或者忽略，则不需要进入用户态），然后再通过sigreturn函数返回内核态，进行后续一些处理以后（操作系统内核让你跳转到用户态，你执行完信号处理函数自然要返回给操作系统一些信息，比如是否执行成功等），检测有没有新的信号要递达，如果没有就返回用户态，继续执行进程后面的代码。