信息安全系统实现与设计第十周——《Unix/Linux系统编程》第六章自学

第六章 信号和信号处理

这一章主要介绍了信号和信号处理的相关内容，包括信号中断的处理，信号的来源，信号在Unix/Linux中的常见用法等，还详细解释了Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤等。

6.1 信号和中断

中断是从I/O设备或协处理器发送到CPU的外部请求，它将CPU从正常执行转移到中断处理。

中断包括多种，可以应用于进程但并不仅限于计算机中的CPU

(1)人员中断:主要包括生活中的各种事件，与计算机学习关系不大，略。

(2)进程中断：这类终端是发送给进程的终端。当某进程正在执行时，可能会收到三个不同来源的终端：
1.来自硬件的中断：终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。
2.来自其他进程的中断：kill(pid,SIG#)、death_of_child等。

3.自己造成的中断：除以0、无效地址等。

(3)硬件中断：这类中断时发送给处理器或CPU的信号。他们也有三个可能的来源：

1.来自硬件的中断：定时器：I/O设备等。
2.来自其他处理器的中断：FFP、DMA、多处理器系统中的其他CPU
3.自己造成的中断：除以0、保护错误、INT指令。

6.2 Unix/Linux中的信号处理

6.2.1 信号类型

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						
#define SIGINT						
#define SIGQUIT						
#define SIGILL #define SIGTRAP		
#define SIGABRT #define SIGIOT
#define SIGBUS
#define SIGFPE
#define SIGKILL
#define SIGUSR1
#define SIGSEGV
#define SIGUSR2
#define SIGPIPE #define SIGALRM
#define SIGTERM
#define SIGSTKFLT
#define SIGCHLD
#define SIGCONT
#define SIGSTOP
#define SIGTSTP
#define SIGTTIN
#define SIGTTOU
#define SIGURG
#define SIGXCPU
#define SIGXFSZ
#define SIGVTALRM
#define SIGPROF
#define SIGWINCH
#define SIGPOLL
#define SIGPWR
#define SIGSYS

每个信号都有一个符号名，如SIGHUP(1)、SIGEMT(2)、SIGKILL(9)、SIGSEGV(11)等

6.2.2 信号的来源

(1)来自硬件中断的信号：在执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程.

硬件信号示例包括：

1.中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。

2.间隔定时器，当他的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。

3.其他硬件错误，如总线错误、IO陷进

(2)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。

(3)来自其他进程的信号：进程可以使用kill（pid，sig）系统调用向pid标识的目标进程发送信号。

6.2.3 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。图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。

如果信号位向量中的位1为1，则会生成一个信号I或将其发送给进程。如果屏蔽位向量的位1为1，则信号会被阻塞或屏蔽。否则，信号未被阻塞。只有当信号存在并且未被阻塞时，信号才会生效或传递给进程。当内核模式下的进程发现一个未阻塞信号时，会将信号位清除为0，并尝试通过信号处理数组中的处理函数来处理该信号。0表示 DEFault，1表示IGNore，其他数值表示用户空间内预先安装的捕捉函数。

6.2.4 安装信号捕捉函数

进程可以使用系统调用 int r = signal(int signal_number,voide *handler);
来修改选定信号编号的处理函数，SIGKILL（9）和SIGSTOP（9）除外，他们不能修改。

signal()系统调用在所有类Unix系统中均可用，但它有一些不理想的特点。

(1)在执行已安装的信号捕捉函数之前，通常将信号处理函数重置为DEFault。为捕捉下次出现的相同信号，必须重新安装捕捉函数。这可能会导致下一个信号和信号处理函数重新安装之间出现竞态条件。相反，sigaction()在执行当前捕捉函数时会自动阻塞下一个信号，因此不会出现竞态条件。

(2)signal()不能阻塞其他信号。必要时，用户必须使用sigprocmask()显式地阻塞或解锁其他信号。相反，sigaction(可以指定要阻塞的其他信号。

(3)signal()只能向捕捉函数发送一个信号编号。sigaction()可以传输关于信号的其他信息。

(4)signal()可能不适用于多线程程序中的线程。sigaction()适用于线程。

(5)不同Unix版本的signal()可能会有所不同。sigaction()采用的是POISX标准，可移植性更好。

6.3 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，以执行捅捉函数，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。因此，该进程会先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。

（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。

（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。

6.4 信号用作IPC

在许多操作系统的书籍中，信号被归类为进程间的通信机制。基本原理是一个进程可以向另一个进程发送信号，使它执行预先安装的信号处理函数。

(1)该机制并不可靠，因为可能会丢失信号。每个信号由位向量中的一个位表示，只能记 录一个信号的一次岀现.如果某个进程向另一个进程发送两个或多个相同的信号，它 们可能只在接收PROC中出现一次。实时信号被放入队列，并保证按接收顺序发送， 但操作系统内核可能不支持实时信号。

(2)竞态条件：在处理信号之前，进程通常会将信号处理函数重置为DEFault。要想捕捉同一信号的再次出现，进程必须在该信号再次到来之前重新安装捕捉函数。否则，下 一个信号可能会导致该进程终止。在执行信号捕捉函数时，虽然可以通过阻塞同一信 号来防止竞态条件，但是无法防止丢失信号。

(3)大多数信号都有预定义的含义。不加区别地任意使用信号不仅不能达到通信的目的，反而会造成混乱。例如，向循环进程发送SIGSEGV(11)段错误信号，出现错误的信息。
因此，试图将信号用作进程间通信手段实际上是对信号预期用途的过度延伸.应避免出现这种情况。

6.5 实践

段错误捕捉函数

代码如下：

#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)
        ;
}

结果如下：