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🔥 系列专栏：Linux
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- 一：🔥 再谈信号的捕捉
- 二：🔥 穿插话题 - 操作系统是怎么运⾏的
- 三：🔥 缺⻚中断？内存碎⽚处理？除零野指针错误？
- 四：🔥 如何理解内核态和⽤⼾态
- 五：🔥 可重入函数
- 六：🔥 使用信号对全局变量进行操作出现的问题（volatile）
- 七：🔥 SIGCHLD信号
- 八：🔥 共勉
一：🔥 再谈信号的捕捉
关于信号捕捉有三种方式：
signal(2, handler); // 自定义捕捉
signal(2, SIG_IGN); // 忽略一个信号
signal(2, SIG_DFL); // 信号的默认处理动作
SIG_IGN 是一个特殊的宏，用于指示系统忽略该信号。
信号可能不会被立即处理，而是在合适的时候处理，那么合适的时候是什么时候呢？
先给结论：从进程的内核态返回到用户态的时候，进行处理。
💦 简单来说，执行自己的代码，访问自己的数据，这就叫做用户态。
💦 当我们进入系统调用时，我们以操作系统的身份来执行时，此时就进入了内核态，操作系统把我们的底层工作做完，做完这些工作后返回到我们的调用处，继续执行下面的代码，但是操作系统，由内核态返回到用户态时，在返回的这个时候信号的检测和处理
如果信号的处理动作是⽤⼾⾃定义函数,在信号递达时就调⽤这个函数,这称为捕捉信号。
由于信号处理函数的代码是在⽤⼾空间的,处理过程⽐较复杂,举例如下:
- ⽤⼾程序注册了
SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 - 当前正在执⾏
main函数, 这时发⽣中断或异常切换到内核态。 - 在中断处理完毕后要返回⽤⼾态的
main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 - 内核决定返回⽤⼾态后不是恢复
main函数的上下⽂继续执⾏,⽽是执⾏sighandler函数,sighandler和main函数使⽤不同的堆栈空间,它们之间不存在调⽤和被调⽤的关系,是两个独⽴的控制流程。 sighandler函数返回后⾃动执⾏特殊的系统调⽤sigreturn再次进⼊内核态。- 如果没有新的信号要递达,这次再返回⽤⼾态就是恢复
main函数的上下⽂继续执⾏了
🦋 关于信号捕捉的细节部分（sigaction函数）
🦁 sigaction 结构体
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); // 指向信号处理函数的指针，接收信号编号作为参数
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 另一个信号处理函数指针，支持更丰富的信号信息
sigset_t sa_mask; // 设置在处理该信号时暂时屏蔽的信号集
int sa_flags; // 指定信号处理的其他相关操作
void (*sa_restorer)(void); // 已废弃，不用关心
};
🎯 sigaction 函数和 signal 的明显区别：
- 当前如果正在对 2 号信号进行处理，默认 2 号信号会被自动屏蔽，对2号信号处理完成的时候，会自动解除对 2 号信号的屏蔽。为什么？这是因为，操作系统不允许同一个信号被连续处理。
- 如果 2 号信号处理完毕后，会自动解除对 2 号信号的屏蔽
下面是一段示例：
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void PrintBlock()
{
sigset_t set, oset;
sigemptyset(&set);
sigemptyset(&oset);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);
std::cout << "block :";
for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
{
if(sigismember(&oset, signo))
{
std::cout << 1;
}
else
{
std::cout << 0;
}
}
std::cout << std::endl;
}
void PrintPending()
{
sigset_t pending;
::sigpending(&pending);
std::cout << "Pending :";
for(int signo = 31; signo > 0; signo--)
{
if(sigismember(&pending, signo))
{
std::cout << 1;
}
else
{
std::cout << 0;
}
}
std::cout << std::endl;
}
void handler(int signo)
{
static int cnt = 0;
cnt++;
while (true)
{
std::cout << "get a sig" << signo << ", cnt: " << cnt << std::endl;
PrintBlock();
::sleep(1);
break;
}
}
int main()
{
struct sigaction act, oact;
act.sa_handler = handler;
sigemptyset(&act.sa_mask);
sigaddset(&act.sa_mask, 3);
sigaddset(&act.sa_mask, 4);
sigaddset(&act.sa_mask, 5);
sigaddset(&act.sa_mask, 6);
sigaddset(&act.sa_mask, 7);
::sigaction(2, &act, &oact);
while (true)
{
// PrintBlock();
PrintPending();
::pause();
}
return 0;
}
🌳 我对3，4，5，6，7号信号也同时做了屏蔽，此时发送2号信号，pending值也是由0置为1的。
二：🔥 穿插话题 - 操作系统是怎么运⾏的
🦋 硬件中断
• 中断向量表就是操作系统的⼀部分，启动就加载到内存中了
• 通过外部硬件中断，操作系统就不需要对外设进⾏任何周期性的检测或者轮询
• 由外部设备触发的，中断系统运⾏流程，叫做硬件中断
🦋 时钟中断
☁️ 定义：Linux 时钟中断是指在 Linux 操作系统中，系统定时器周期性地触发中断，这个中断被称为时钟中断。时钟中断源于硬件定时器，通常由计算机的主板芯片或处理器芯片提供，通过定时器计数器来实现定时中断功能。
功能：
-
维护系统时间：每当一个时钟中断发生时，内核会更新系统时间的计数值。这个计数值可以是自世界时间开始的毫秒数，也可以是自系统启动以来的滴答数（tick）。通过定时更新系统时间，系统可以保持时间的准确性，为用户提供可靠的时间信息。
-
任务调度：在多任务操作系统中，内核需要决定哪个进程将获得CPU的控制权。时钟中断提供了一个计时器，每当中断发生时，内核会检查当前运行的进程是否到达了它应该运行的时间片。如果一个进程的时间片用完了，内核就会重新选择下一个要运行的进程，并切换上下文，将控制权交给新的进程。这样保证了系统中进程的公平调度，提高了系统的整体性能。
-
计算进程执行时间：每当一个进程或线程被抢占，切换到另一个进程或线程时，时钟中断记录下了抢占发生的时间。通过记录不同进程和线程的执行时间，可以分析其调度情况，了解系统中进程的运行情况，为性能优化提供依据。
🦋 OS 死循环
💜 如果是这样，操作系统不就可以躺平了吗？对，操作系统⾃⼰不做任何事情，需要什么功能，就向中断向量表⾥⾯添加⽅法即可.操作系统的本质：就是⼀个死循环！
void main(void) /* 这⾥确实是void，并没错。 */
{
/* 在startup 程序(head.s)中就是这样假设的。 */
...
/*
* 注意!! 对于任何其它的任务，'pause()'将意味着我们必须等待收到⼀个信号才会返
* 回就绪运⾏态，但任务0（task0）是唯⼀的意外情况（参⻅'schedule()'），因为任
* 务0 在任何空闲时间⾥都会被激活（当没有其它任务在运⾏时），
* 因此对于任务0'pause()'仅意味着我们返回来查看是否有其它任务可以运⾏，如果没
* 有的话我们就回到这⾥，⼀直循环执⾏'pause()'。
*/
for (;;)
pause();
} // end main
🦋 小结
🦋 如何理解系统调用
软中断
• 上述外部硬件中断，需要硬件设备触发。
• 有没有可能，因为软件原因，也触发上⾯的逻辑？有！
• 为了让操作系统⽀持进⾏系统调⽤，CPU 也设计了对应的汇编指令 (int 0x80 或者 syscall), 可以让CPU内部触发中断逻辑。
所以：
问题：
• ⽤⼾层怎么把系统调⽤号给操作系统？ - 寄存器(⽐如EAX)
• 操作系统怎么把返回值给⽤⼾？- 寄存器或者⽤⼾传⼊的缓冲区地址
• 系统调⽤的过程，其实就是先int 0x80、syscall陷⼊内核，本质就是触发软中断，CPU就会⾃动执⾏系统调⽤的处理⽅法，⽽这个⽅法会根据系统调⽤号，⾃动查表，执⾏对应的⽅法
• 系统调⽤号的本质：数组下标
可是为什么我们⽤的系统调⽤，从来没有⻅过什么 int 0x80 或者 syscall 呢？都是直接调⽤上层的函数的啊？
• 那是因为 Linux 的 gnu C 标准库，给我们把⼏乎所有的系统调⽤全部封装了。
三：🔥 缺⻚中断？内存碎⽚处理？除零野指针错误？
- 缺⻚中断？内存碎⽚处理？除零野指针错误？这些问题，全部都会被转换成为CPU内部的软中断，然后⾛中断处理例程，完成所有处理。有的是进⾏申请内存，填充⻚表，进⾏映射的。有的是⽤来处理内存碎⽚的，有的是⽤来给⽬标进⾏发送信号，杀掉进程等等。
📌 所以：
- 操作系统就是躺在中断处理例程上的代码块！
- CPU内部的软中断，⽐如
int 0x80或者syscall，我们叫做陷阱 - CPU内部的软中断，⽐如除零/野指针等，我们叫做
异常。（所以，能理解“缺⻚异常”为什么这么叫了吗？）
四：🔥 如何理解内核态和⽤⼾态
结论：
• 操作系统⽆论怎么切换进程，都能找到同⼀个操作系统！换句话说操作系统系统调⽤⽅法的执⾏，是在进程的地址空间中执⾏的！
-
内核态： 0-4G 范围的虚拟空间地址都可以操作，尤其是对 3-4G 范围的⾼位虚拟空间地址必须由内核态去操作。
-
3G - 4G 部分⼤家是共享的（指所有进程的内核态逻辑地址是共享同⼀块内存地址），是内核态的地址空间，这⾥存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据。
-
关于特权级别，涉及到段，段描述符，段选择⼦，DPL，CPL，RPL等概念， ⽽现在芯⽚为了保证兼容性，已经⾮常复杂了，进⽽导致OS也必须得照顾它的复杂性，这块我们不做深究了。
-
⽤⼾态就是执⾏⽤⼾ [0,3] GB 时所处的状态 -
内核态就是执⾏内核 [3,4] GB 时所处的状态 -
区分就是按照CPU内的CPL决定，CPL的全称是Current Privilege Level，即当前特权级别。
-
⼀般执⾏ int 0x80 或者 syscall 软中断，CPL会在校验之后⾃动变更
-
这样会不会不安全？？
五：🔥 可重入函数
六：🔥 使用信号对全局变量进行操作出现的问题（volatile）
int gflag = 0;
void changedata(int signo)
{
std::cout << "get a signo:" << signo << ", change gflag 0->1" << std::endl;
gflag = 1;
}
int main() // 没有任何代码对gflag进行修改！！！
{
signal(2, changedata);
while(!gflag); // while不要其他代码
std::cout << "process quit normal" << std::endl;
}
七：🔥 SIGCHLD信号
子进程退出时，不是静悄悄的退出的，会给父进程发送信号–SIGCHLD信号。
下面是一段示例：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
void notice(int signo)
{
std::cout << "get a signal: " << signo << " pid: " << getpid() << std::endl;
while (true)
{
pid_t rid = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG); // 阻塞啦！！--> 非阻塞方式
if (rid > 0)
{
std::cout << "wait child success, rid: " << rid << std::endl;
}
else if (rid < 0)
{
std::cout << "wait child success done " << std::endl;
break;
}
else
{
std::cout << "wait child success done " << std::endl;
break;
}
}
}
void DoOtherThing()
{
std::cout << "DoOtherThing~" << std::endl;
}
int main()
{
signal(SIGCHLD, notice);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
pid_t id = fork();
if (id == 0)
{
std::cout << "I am child process, pid: " << getpid() << std::endl;
sleep(3);
exit(1);
}
}
// father
while (true)
{
DoOtherThing();
sleep(1);
}
return 0;
}
这段代码创建了多个子进程，并在子进程结束时通过 SIGCHLD 信号进行处理。
- 当
SIGCHLD信号被捕获时，notice函数会被调用。这个函数会进入一个无限循环，尝试使用 waitpid 以非阻塞方式 (WNOHANG) 等待任何已终止的子进程。这是合理的，因为它允许父进程在子进程终止时及时回收资源，同时不阻塞父进程的其他操作。
八：🔥 共勉
以上就是我对 【Linux】进程信号全攻略（二） 的理解，觉得这篇博客对你有帮助的，可以点赞收藏关注支持一波~😉
