第六章学习笔记

第六章学习笔记

第六章 信号和信号处理

1.信号和中断

• 信号：发给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。
• 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”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。
• 中断主要有以下几种类型:

1. 人员中断
2. 进程中断
3. 硬件中断
4. 进程的陷阱错误

2.Unix/Linux信号示例

1. 按“Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止。原因如下：Ctrl+C组合键会生成一个键盘硬件中断。键盘中断处理程序将Ctrl+C组合键转换为SIGINT(2)信号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输入的进程。在内核模式下,每个进程都要检查和处理未完成的信号。进程对大多数信号的默认操作是调用内核的kexit(exitValue)函数来终止。在Linux中，exitValue的低位字节是导致进程终止的信号编号。
2. 用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程仍将继续运行。
3. 用户再次登录时也许会发现(通过ps-u LTD)后台进程仍在运行。用户可以使用sh命令kill pid (or kill -s 9 pid)杀死该进程。之所以是9个信号是因为在最初的Unix中，只有9个信号。9号信号被保留为终止进程的终极手段。虽然后来的Unix/Linux系统将信号编号扩展到了31，但是信号编号9的含义仍然保留了下来。

3.Unix/Linux中的信号处理

• Unix/Linux支持的31种信号，在signal.h文件中均有定义，每种信号都有一个符号名。
• 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。硬件信号示例是中断键（CtrI+C)，它产生一个SIGINT（2）信号。
• 间隔定时器，当它的时间到期时，会生成一个SIGALRM( 14),SIGVTALRM(26)或SIGPROF (27）信号。
• 其他硬件错误，如总线错误、IO陷阱等。
• 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kill(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。在 Linux 下，运行简单的C程序main(){ while(1); }使进程无限循环。从另一个(X-window)终端，使用ps -u查找循环进程pid。然后输入sh命令kill -s 11 pid循环进程会因为段错误而死亡。当某进程被某个信号终止时,它的exitValue就包含这个信号编号。父进程sh只是将死亡子进程的信号编号转换为一个错误字符串。

4.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。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。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。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同Unix版本中会有所不同。例如，在 BSD Unix中，信号处理函数不会被重置，但是该信号在执行信号捕捉函数时会被阻塞。
3. 信号和唤醒:在Unix/Lintx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。例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优先级休眠,这种休眠是可中断的,SIGINT这类信号即可唤醒它。

5.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:当进程遇到异常时，它会陷人内核模式，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在内核模式下发生异常，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了。如果在用户模式下发生异常，则进程通常会终止，并以内存转储进行调试。
• 让进程通过预先安装的信号捕捉函数处理用户模式下的程序错误。这类似于MVS[IBM MVS]中的 ESPIE宏。
• 在特殊情况下，它会让某个进程通过信号杀死另一个进程。注意，这里所说的杀死并不是直接杀死某个进程，而只是向目标进程发出“死亡”请求。

6.信号用作IPC

• Linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔计时器，可用作进程计时的虚拟时钟。间隔定时器由settimer()系统调用创建。getitimer()系统调用返回间隔定时器的状态。
  有三类间隔定时器，分别是：

1. ITIMER_REAL: 实时减少，在到期时生成一个SIGALRM（14）信号。
2. ITIMER_VIRTUAL: 仅当进程在用户模式下执行时减少，在到期时生成一个SIGVTALRM（26）信号。
3. ITIMER_PROF: 当进程正在用户模式和系统模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF（27）信号。

7.REAL模式间隔定时器

• 在一些地方，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。由于以下原因，这种分类即使不算不恰当也颇具争议。
• 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出现。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。
• 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。

8.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);
}