《信息安全系统设计与实现》第九周学习笔记

一、第五章定时器及时钟服务

硬件定时器

定时器是由时钟源和可编程计数器组成的硬件设备。
时钟源通常是一个晶体振荡器，会产生周期性电信号，以精确的频率驱动计数器。使用一个倒计时值对计数器进行编程，每个时钟信号减1。当计数减为0时，计数器向CPU生成一个定时器中断，将计数值重新加载到计数器中，并重复倒计时。
计数器周期称为定时器刻度，是系统的基本计时单元。

个人计算机定时器

实时时钟(RTC)
RTC由一个小型备用电池供电。即使在个人计算机关机时，它也能连续运行。它用于实时提供时间和日期信息。当Linux启动时，它使用RTC更新系统时间变量，以与当前时间保持一致。在所有类Unix系统中，时间变量是一个长整数，包含从1970年1月1日起经过的秒数。

可编程间隔定时器(PIT)

PIT是与CPU分离的一个硬件定时器。可对它进行编程，以提供以毫秒为单位的定时器刻度。在所有I/O设备中，PIT可以最高优先级IRQ0中断。PIT定时器中断由Linux内核的定时器中断处理程序来处理，为系统操作提供基本的定时单元，例如进程调度、进程间隔定时器和其他许多定时事件。

多核CPU中的本地定时器

在多核CPU中，每个核都是一个独立的处理器，它有自己的本地定时器，由CPU时钟驱动。

高分辨率定时器

大多数电脑都有一个时间戳定时器(TSC),由系统时钟驱动。它的内容可通过64位TSC寄存器读取。由于不同系统主板的时钟频率可能不同，TSC不适合作为实时设备，但它提供纳秒级的定时器分辨率。

CPU操作

每个CPU都有一个程序计数器(PC),也称为指令指针(IP),以及一个标志或状态寄存器(SR)、一个堆栈指针(SP)和几个通用寄存器，当PC指向内存中要执行的下一条指令时，SR包含CPU的当前状态，如操作模式、中断掩码和条件码，SP指向当前堆栈栈顶。
CPU操作可通过无限循环进行建模。

time系统调用

clock_t times(struct tms *buf);可用于获取某进程的具体执行时间。它将进程时间存储在struct tms buf中：
struct tms{
    clock_t tms_utime;	// user mode time
    clock_t	tms_stime;	// system mode time
    clock_t	tms_cutime;	// user time of children
    clock_t	tms_cstime;	// system time of children
};

代码分析：

time和date命令
date：打印或设置系统日期和时间。
time：报告进程在用户模式和系统模式下的执行时间和总时间。
hwclock：查询并设置硬件时钟(RTC),也可以通过BIOS来完成。

间隔定时器

间隔定时器的值用以下结构体(在＜sys/time.h＞中)定义：

struct itimerval {
    struct timeval it_inteirval; 
    struct timeval it_value; 
}；
struct timeval (
    time_t tv_sec；
    suseconds_t tv_usec;	
)；

代码分析

time_t tv_sec：表示时间的秒数部分，是一个整数类型。
suseconds_t tv_usec：表示时间的微秒数部分，也是一个整数类型。
这两个结构体可以用来表示一段时间，通过tv_sec和tv_usec的组合，可以表示精确到微秒的时间。
struct timeval it_interval：表示定时器的间隔时间。
struct timeval it_value：表示定时器的当前值。
这两个结构体用于设置和获取定时器的参数。it_interval用于指定定时器在触发后的重复间隔时间，而it_value用于指定定时器的初始值。

二、代码实践

1、sigaction函数代码实践

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
//#include <siginfo.h>

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
    printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d\n",sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = &handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO; 
    sigaction(SIGTERM, &act, NULL);
    printf("proc PID=%d looping\n", getpid()); 
    printf ("enter kill PID to send SIGTERM signal to it\n"); 
    while(1)
    {
        sleep (10);
    }
}

代码分析

1、定义了一个名为handler()函数，用于处理接收到的SIGTERM信号。
2、在main()函数中，通过sigaction函数将SIGTERM信号的处理方式设置为handler()函数。
3、在主函数中循环等待信号的到来，并且输出当前进程的PID值。通过调用getpid()函数获取当前进程的PID，并打印出来。
4、然后，该程序进入一个循环等待状态，每次等待10秒，直到接收到SIGTERM信号退出程序。

2

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <signal.h> 
#include <setjmp.h>
#include <string.h>

//#include <siginfo.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);
}

代码分析

1、首先定义一个全局变量count和一个跳转缓冲区env。然后，定义了一个handler函数，用于处理SIGSEGV信号，即段错误信号。
2、handler函数中会打印出信号来源进程的PID、UID以及计数count的值，并且将count加1。如果count达到4次，则通过longjmp函数跳转到之前设置的env位置，并传递参数1234。
3、定义了一个BAD函数，该函数用于触发段错误。在BAD函数内部，尝试对空指针进行解引用操作，这是一种非法的操作，会导致段错误。
4、主函数main中，首先设置了对SIGSEGV信号的处理方式为handler函数。然后，通过setjmp函数设置跳转点，并将返回值r赋给变量r。如果r等于0，说明是第一次执行BAD函数，因此会触发段错误，并跳转到之前设置的env位置，同时打印出相应的提示信息。如果r不等于0，则说明是通过longjmp函数跳转回来的，并会打印出进程的PID以及r的值。
5、最后，程序进入一个无限循环，用于保持进程的运行。
总的来说，该程序通过使用信号处理机制和跳转缓冲区，实现了对段错误的捕获和处理。当发生段错误时，会执行特定的操作，并且可以控制是否继续运行程序。这种机制可以在一些特殊情况下对程序进行保护，避免因为段错误导致整个程序异常终止。