学习笔记9

第6章 信号和信号处理

6.1~6.3 信号和中断

进程

（1）首先，我们将进程的概念概括为：一个"进程"（引号中）就是一系列活动。广义的"进程"包括

• 从事日常事务的人。

• 在用户模式或内核模式下运行的 Unix/Linux 进程。

• 执行机器指令的CPU。

中断：

 中断是I/O设备发送到CPU的外部请求，将CPU从正常执行转移到中断处理。

（2）"中断"是发送给"进程"的事件，它将"进程"从正常活动转移到其他活动，称为"中断处理"。"进程"可在完成"中断"处理后恢复正常活动。

（3）"中断"一词可应用于任何"进程"，并不仅限于计算机中的CPU。

中断的种类：根据来源，中断可分为三类：

1.人员中断：

• 来自硬件的中断∶大楼着火，闹钟响了等。

• 来自其他人的中断∶电话响了，有人敲门等。

• 自己造成的中断∶切到手指，吃得太多等。

按照紧急程度，中断可分为以下几类∶

• 不可屏蔽（NMI）∶大楼着火！

• 可屏蔽∶有人敲门等。

人员的每个动作函数都是通过本能或经验实现的。由于人员中断的种类太多，所以不能在上表中全部列出，但是思路应该清晰。

2.进程中断

这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的中断：

●来自硬件的中断：终端、间隔定时器的"Ctrl+C"组合键等。

●来自其他进程的中断：kill（pid，SIG#）、death_of_child 等。

●自己造成的中断∶除以0、无效地址等。

每个进程中断都被转换成一个唯一的id号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我们始终可限制在一个进程中的中断的数量。在Unix/linux中进程中断称为信号。

3.硬件中断

1.这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源：

●来自硬件的中断：定时器、I/O设备等。

●来自其他处理器的中断：FFP、DMA、多处理器系统中的其他 CPU。

●自己造成的中断：除以0、保护错误、INT指令。

每个中断都有唯一的中断向量号。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。

2.进程的陷阱错误

进程可能会自己造成中断。这些中断是由被 CPU 识别为异常的错误引起的，例如除以0、无效地址、非法指令、越权等。当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。如果在内核模式下发生陷阱，原因一定是硬件错误，或者很可能是内核代码中的漏洞，在这种情况下，内核无法处理。

3.Unix/Linux中的信号处理

 1.Unix/Linux支持31种不同的信号，每种信号在 signal.h文件中都有定义

#define  	SIGHUP  	1
#define  	SIGINT  	2
#define  	SIGQUIT  	3
#define  	SIGILL  	4
#define  	SIGTRAP  	5
#define  	SIGABRT  	6
#define  	SIGIOT  	6
#define  	SIGBUS  	7
#define  	SIGFPE  	8
#define  	SIGKILL  	9
#define  	SIGUSR1  	10
#define  	SIGSEGV  	11
#define  	SIGUSR2  	12
#define  	SIGPIPE  	13
#define  	SIGALRM  	14
#define  	SIGTERM	        15
#define  	SIGSTKFLT	16
#define  	SIGCHLD    	17
#define  	SIGCONT	        18
#define  	SIGSTOP      	19
#define  	SIGTSTP	        20
#dpfine  	STGTTTN	        21
#define  	SIGTTOU	        22
#define  	SIGURG	        23
#define  	SIGXCPU	        24
#define  	SIGXFSZ    	25
#define  	SIGVTALRM	26
#define  	SIGPROF  	27
#define  	SIGWINCH	28
#define  	SIGPOLL  	29
#define  	SIGPWR	        30
#define  	SIGSYS	        31

这些信号的不同来源有：

来自硬件中断的信号:在进程执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程。

来自异常的信号： 当用户模式下的进程遇到异常时，会陷入内核模式，生成一个信号，并发送给自己。常见的陷阱信号有SIGFPE（8），表示浮点异常（除以0），最常见也是最可怕的是SIGSEGV（11），表示段错误，等等。

来自其他进程的信号： 进程可使用kil（pid，sig）系统调用向 pid标识的目标进程发送信号。读者可以尝试以下实验

3.信号处理函数

每个进程PROC 都有一个信号处理数组 int sig[32]。Sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示 DEFault（默认）.1表示 IGNore（忽略）.其他非零值表示用户模式下预先安装的信号捕捉（处理）函数。

3.信号处理步骤

（1）当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为 DEFault。然后，它会在用户模式下返回，以执行捕捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。

（2）重置用户安装的信号捕捉函数：用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix 内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为 DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。

（3）信号和唤醒：在Unix/Linux，内核中有两种 SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP 状态，到达的信号（必须来自硬件中断或其他进程）不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。

4.信号与异常

Unix信号最初设计用于以下用途

作为进程异常的统一处理方法；
让进城通过预先安装的信号捕捉函数用户模式下的程序错误；
在特殊情况下，它会让某一个进程通过信号杀死另一个进程。

5.Linux中的IPC

1.管道和FIFO

管道的主要用途是连接一对管道写进程和读进程。管道写进程可将数据写入管道，读进程可从管道中读取数据。管道控制机制要对管道读写操作进行同步控制。未命名管道供相关进程使用。命名管道是FIFO的，可供不相关进程使用。在 Linux中的管道读取操作为同步和阻塞。如果管道仍有写进程但没有数据，读进程会进行等待。

2.信号

进程可使用 kill 系统调用向其他进程发送信号，其他进程使用信号捕捉函数处理信号。将信号用作IPC的一个主要缺点是信号只是用作通知，不含任何信息内容。

3.线程同步机制

Linux 不区分进程和线程。在 Linux中，进程是共享某些公共资源的线程。如果是使用有共享地址空间的clone（系统调用创建的进程，它们可使用互斥量和条件变量通过共享内存进行同步通信。另外，常规进程可添加到共享内存，使它们可作为线程进行同步。

实践

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
#include <string.h>
jmp_buf env;
int count = 0;
void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
    printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n",
           sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count);
    if (count >= 4) // let it occur up to 4 times
        longjmp(env, 1234);
}
int BAD()
{
    int *ip = 0;
    printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
    *ip = 123; // dereference a NULL pointer
    printf("should not see this line\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int r;
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = &handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigaction(SIGSEGV, &act, NULL);
    if ((r = setjmp(env)) == 0)
        BAD();
    else
        printf("proc %d survived SEGMENTATION FAULT: r=%d\n", getpid(), r);

    printf("proc %d looping\n", getpid());
    while (1)
        ;
}