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一.信號發(fā)送的概念

首先來講幾個發(fā)送術(shù)語：

它有三種情況：

?注意：

二.信號在內(nèi)核中的表示示意圖

三.信號捕捉

?所以總結(jié)一下：

此時，會出現(xiàn)這樣一個疑問：操作系統(tǒng)是如何得知現(xiàn)在被執(zhí)行的進程是用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)？

問題2：CPU在執(zhí)行某個進程時是如何跑到操作系統(tǒng)中執(zhí)行代碼的呢？

用戶態(tài)的進程想要轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)的情況大致有3種：

如下為進程的兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：

? ? ? ? ?關(guān)于第三步有人就會問了，為什么內(nèi)核態(tài)的進程不能夠去執(zhí)行handler方法，而是還要變成用戶態(tài)才去執(zhí)行？

? ? ? ?

????????關(guān)于第三步完成后，調(diào)用handler表中的方法后，為什么不就在用戶態(tài)中繼續(xù)往下執(zhí)行，還要再回一次內(nèi)核態(tài)？

????????在上一篇博客中，我以列舉生活中的例子為基礎(chǔ)，介紹了對信號的理解，信號的4個重點知識，信號的4種產(chǎn)生方式，且信號只能由操作系統(tǒng)發(fā)送給進程......

? ? ? ? 接下來，我繼續(xù)來詳解一下操作系統(tǒng)是怎么將信號發(fā)送出去的！

一.信號發(fā)送的概念

首先來講幾個發(fā)送術(shù)語：

1.實際執(zhí)行信號的處理動作稱為信號遞達(Delivery)；

2.信號從產(chǎn)生到遞達之間的狀態(tài)，稱為信號未決(Pending)；

3.對于操作系統(tǒng)發(fā)送來的信號，進程可以選擇阻塞(Block) 該信號。

????????

????????對于信號遞達的理解：——是指進程收到信號后將其處理時的動作！所以進程在執(zhí)行遞達時，有三種方式可供選擇：

1.執(zhí)行默認(rèn)處理；

2.自定義處理(例如：采用signal函數(shù)，做想要做的行為)；

3.忽略操作(默認(rèn)不管)?

? ? ? ? 信號的產(chǎn)生(可以是由鍵盤的手動產(chǎn)生：ctrl+c、可以是系統(tǒng)調(diào)用kill()函數(shù)產(chǎn)生、可以是硬件異常產(chǎn)生：除零錯誤和段錯誤等、也可以是軟件條件產(chǎn)生的信號：讀端關(guān)閉寫端仍開)，所以信號在被OS操作系統(tǒng)指定目標(biāo)進程發(fā)送開始到進程接收信號的這段時間稱之為信號未決。

它有三種情況：

1.操作系統(tǒng)向進程發(fā)送了信號，進程收到了信號還沒來得及處理，該進程可能在做著更重要的事情；

2.操作系統(tǒng)向進程發(fā)送了信號，在此途中，進程并沒收到信號；

3.操作系統(tǒng)向進程發(fā)送了信號，進程收到了信號，但提前進行了對該信號阻塞，導(dǎo)致進程無法遞達處理該信號。

?注意：

????????被阻塞的信號產(chǎn)生時將保持在未決狀態(tài)，直到進程解除對此信號的阻塞，進程才會執(zhí)行遞達動作；

? ? ? ? 阻塞和忽略是不同的，只要信號被阻塞，那么意味著進程永遠不能遞達(處理)這個信號；而忽略是進程遞達(處理)這個信號的一種方式。

? ? ? ?上圖就好比一塊電路板，我們打開了電源，插座也插上了燈泡接口，但燈就是不亮，原因在于燈泡中的保險絲已經(jīng)在通電前就被熔斷了——保險絲的熔斷阻塞了電流通向燈泡的道路。

進程進行默認(rèn)處理信號的案例：

?該進程的執(zhí)行方式就是采用默認(rèn)的動作，遇到錯誤就立即終止退出。

進程進行自定義處理信號的案例：

?????????進程所作的遞達動作是：自定義方式，該方式是通過調(diào)用signal函數(shù)，然后執(zhí)行該函數(shù)的第二參數(shù)——回調(diào)函數(shù)，進而對該信號所想做的一些事情——Checksig();

忽略動作就不展示了......

所以對于信號遞達、信號未決、阻塞等術(shù)語還不理解的朋友們來看下面這個例子：

????????小明是個初中生，當(dāng)晚自習(xí)快結(jié)束時，班主任兼物理老師因為家中有急事，給同學(xué)們布置了一套卷子，他把卷子放講臺上并讓同學(xué)們下了自習(xí)拿回家做，就急著走了。同學(xué)們都記下了這件事，等到下課，小明并沒有拿上卷子，轉(zhuǎn)身就騎車回了家。他這么做的原因在于：上次期中考試時，他的物理成績考的不像樣子，被班主任劈頭蓋臉的罵了一頓，他心生怨恨，根本不想寫與物理有關(guān)的一切作業(yè)。

? ? ? ? 根據(jù)上面這個例子可知：小明相當(dāng)于進程，班主任是OS操作系統(tǒng)，是小明的管理者，班主任讓小明拿卷子回家做(OS發(fā)送信號給進程)，小明故意沒有拿(進程阻塞了信號的傳遞)，小明只要一直怨恨著班主任，他就一直不做物理卷子(阻塞導(dǎo)致進程無法遞達該信號)。

? ? ? ? 這種情況就屬于阻塞——信號未決的其中一種情況；

????????信號未決的第二種表示情況： 小明拿到了物理卷子，但是回家路上出車禍了，住進醫(yī)院導(dǎo)致沒來得及做卷子；

? ? ? ? 信號未決的第三種表示情況：老師正要把卷子放到了講臺，還沒告知同學(xué)們的時候，地震了，老師和同學(xué)們就都走了。

????????而遞達表示：物理老師當(dāng)天下午又叫小明談話，這一次他倆冰釋前嫌(沒了阻塞)，晚上發(fā)了卷子后，小明拿了物理卷子，回家認(rèn)認(rèn)真真做完(遞達的默認(rèn)動作)；

????????遞達的忽略：小明拿了物理卷子，回家后由于數(shù)學(xué)英語作業(yè)明天要講，導(dǎo)致他沒時間做物理卷子；

????????遞達的自定義：小明拿了物理卷子，回家后開始做卷子，但由于上課沒有好好聽，導(dǎo)致很多題不會做，瞎寫答案。

二.信號在內(nèi)核中的表示示意圖

?根據(jù)上圖，做出以下理解:

? ? ? ? 操作系統(tǒng)在指定目標(biāo)進程后向該進程發(fā)送信號，緊接著該進程的PCB(進程控制塊)，它的底層內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：task_struct中的pending(位圖結(jié)構(gòu)）、block(位圖結(jié)構(gòu))、handler(函數(shù)指針數(shù)組)三個屬性就會被激活。

? ? ? ? 先來看前兩個屬性，pending未決位圖和block阻塞位圖，兩個位圖結(jié)構(gòu)的底層都是由32比特位形成，從右往左由低到高。這32比特位默認(rèn)情況下都為0；每個比特位都代表了一個信號，例如兩個位圖最右邊的那個比特位是第一比特位，該比特位指的是1號信號，往左依次為2號信號、3號信號.....到第31號信號。

? ? ? ? pending未決位圖的作用是顯示：OS發(fā)送的信號是否被進程所處理。舉個例子：由于進程在執(zhí)行過程中出現(xiàn)了非法錯誤，使得OS查出錯誤后向該進程發(fā)送了4號信號，該進程的pending位圖中從右往左第4個比特位由0--->1，直到該進程收到4號信號并開始處理這4號信號時，pending位圖的比特位才會由1-->0。

? ? ? ? block阻塞位圖的作用是顯示：OS發(fā)送的信號是否已被進程所阻塞。舉個例子：OS向指定進程發(fā)送4號信號，進程提前設(shè)置阻塞位圖的第4比特位0--->1，該進程收到信號后無法處理4號信號。什么時候進程解除了阻塞，block阻塞位圖的第4比特位什么時候才會由1--->0。

????????接下來就是第三個屬性——handler表，handler是一個函數(shù)指針數(shù)組，在該數(shù)組中，數(shù)組的下標(biāo)表示信號的編號，例如數(shù)組下標(biāo)0標(biāo)識為1號信號......；數(shù)組元素的內(nèi)容代表著對應(yīng)信號的處理方法，當(dāng)我們訪問數(shù)組中的[0]、[1]、[2]時，訪問的是handler的函數(shù)指針，每一個函數(shù)指針都指向?qū)?yīng)信號的處理方法。

? ? ? ? 當(dāng)我們來到handler時，已經(jīng)能夠表明進程已經(jīng)成功收到了操作系統(tǒng)發(fā)來的信號，并正在對其進行遞達處理，上面說過，遞達分為三種方式：默認(rèn)、忽略、自定義。在下面這個內(nèi)核圖中：

????????第一行的SIGUP信號，它的處理方式為：SIG_DFL(默認(rèn)處理——宏定義)，意味著handler[0]的內(nèi)容寫的是SIG_DFL函數(shù)(立即終止進程，并退出)；第二行SIGINT信號(2號信號)，它的處理方式是SIG_IGN(忽略動作——宏定義)，意味著handler[1]的內(nèi)容寫的是SIG_IGN的方式，對該信號的處理方式是不處理。而第三行SIGQUIT信號(3號信號)，它的處理方式為用戶自己寫的自定義方法signal(signo,sighandler)函數(shù)，意味著handler[2]中填入的內(nèi)容是用戶采用sighandler函數(shù)的函數(shù)地址。

? ? ? ? ?在這里考慮一種特殊情況：當(dāng)一個進程收到了OS發(fā)送來的多個信號時，由于進程只記錄一個，所以pending位圖一次只能置一個比特位，剩下的信號就會被丟棄。

? ? ? ? 注：上面這種情況只針對普通信號的發(fā)送，而對于實時信號的發(fā)送(Linux中第34——第64號信號)，進程會對這些信號組成一個隊列，該隊列會保存這些信號的屬性信息，等待進程一個一個的處理。

三.信號捕捉

????????當(dāng)進程收到信號時，進程不會立即處理，而是在“合適的時候”。這個合適的時候是指：從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時，進程才會進行處理。

???????用戶想要訪問上圖的兩種資源，就必須采用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)給用戶提供的接口。普通用戶無法以自己用戶態(tài)的身份去訪問系統(tǒng)調(diào)用資源，得先讓自己的狀態(tài)變成內(nèi)核態(tài)才能執(zhí)行。

? ? ? ? 詳解如下：

????????1.當(dāng)CPU執(zhí)行進程自己的代碼時，進程當(dāng)前處于用戶態(tài)，直到CPU執(zhí)行了系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)(open、getpid、fork)等，進程就必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)，因為這些接口是屬于OS的，CPU想要訪問別人的資源，就得提升到能和別人平起平坐的身份才有資格。所以狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是必然的。

? ? ? ? 在轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)后，CPU就可以訪問系統(tǒng)的資源了，這時代碼中有open函數(shù)，于是CPU開始訪問該函數(shù)，好比它在門外敲了敲open，請求open的幫罵，OS知道后將open的底層實現(xiàn)代碼拷貝了一份給CPU。

? ? ? ? 即使你的身份是內(nèi)核態(tài)，但操作系統(tǒng)不相信任何人，它只相信它自己！你的身份是用戶態(tài)便沒有訪問需求的資格；當(dāng)你是內(nèi)核態(tài)，有了資格也無法親自訪問，操作系統(tǒng)怕你亂搞，于是它幫你拷貝相應(yīng)函數(shù)的代碼給你。

? ? ? ? 需要注意的是：這里只是做了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，訪問系統(tǒng)接口的人仍然是CPU，只不過身份變了而已。

????????2.CPU執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用是費時間的，因為有狀態(tài)的來回轉(zhuǎn)換，會導(dǎo)致執(zhí)行效率降低，所以盡量不要頻繁的采用系統(tǒng)調(diào)用！而自己寫的函數(shù)往往比函數(shù)調(diào)用要更快。

?所以總結(jié)一下：

用戶態(tài)：正在執(zhí)行用戶層的代碼，此時進程的狀態(tài)是用戶態(tài).

內(nèi)核態(tài)：正在通過系統(tǒng)調(diào)用訪問內(nèi)核、硬件資源，此時進程的狀態(tài)是內(nèi)核態(tài)。

此時，會出現(xiàn)這樣一個疑問：操作系統(tǒng)是如何得知現(xiàn)在被執(zhí)行的進程是用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)？

????????在CPU中有一套寄存器，寄存器中存放著進程執(zhí)行代碼的數(shù)據(jù)，之前說過多個磁盤文件被加載到內(nèi)存后，會被放進運行隊列中，計算機之所以能夠并發(fā)執(zhí)行多個程序，就是通過時間片輪轉(zhuǎn)的方式，讓cpu一段時間內(nèi)執(zhí)行進程A，一段時間執(zhí)行進程B，而寄存器的作用不僅僅用來處理計算，還用來保存上一個進程A被換下后的上下文數(shù)據(jù)，以遍下次cpu再次執(zhí)行進程A時，能夠瞬間找到上次末尾的位置繼續(xù)運行該進程。

? ? ? ? 而在上圖中，某寄存器1用來存放當(dāng)前被執(zhí)行進程的PCB地址；某寄存器2用來存放該進程的頁表(虛擬空間中數(shù)據(jù)的虛擬地址可通過頁表映射內(nèi)存的物理地址)地址；而CR3寄存器的作用是表證當(dāng)前進程的運行級別：

若CR3寄存器為0，表示該進程當(dāng)前是內(nèi)核態(tài)(高級別)；

若CR3寄存器為3，表示該進程當(dāng)前是用戶態(tài)(低級別)；

?有了CR3寄存器，OS就可以輕易的知道每個進程當(dāng)前的運行級別是什么狀態(tài)的！

問題2：CPU在執(zhí)行某個進程時是如何跑到操作系統(tǒng)中執(zhí)行代碼的呢？

? ? ?

? ??????從上圖看，進程被加載到內(nèi)存后，其PCB(task struct)就會被CPU執(zhí)行。之前學(xué)習(xí)進程的時候就解釋過上圖，當(dāng)CPU執(zhí)行進程的代碼時，PCB(task struct)中的屬性指針會指向進程虛擬的地址空間，里面會存放代碼中數(shù)據(jù)的虎擬地址，當(dāng)CPU訪問到某個變量的慮擬地址后，需要通過頁表找到物理內(nèi)存中的該變量的物理地址，找到后將數(shù)據(jù)返回給CPU。這里說的慮擬地址空間中共有4GB大小，其中從低到高 第0到第3GB的空間為用戶級空間，用來存放用戶的代碼，數(shù)據(jù)等。為了保證進程的獨立性，每個進程都有一個進程地址空間，都有一個用戶級頁表。
????????第3-第4GB的空間為內(nèi)核空間，那么相對應(yīng)的也有一份內(nèi)核級頁表，該內(nèi)核級頁表是操作系統(tǒng)的，操作系統(tǒng)只有一個，所以是所有的進程共用這獨一份內(nèi)核級頁表。
????????其次內(nèi)核空間也是不允許用戶訪問的，因為這1GB空間中的數(shù)據(jù)是通過內(nèi)核級頁表和內(nèi)存中的操作系統(tǒng)相映射，屬于內(nèi)核級別的。因為內(nèi)存中只存在一份內(nèi)核，那么所有進程的虛擬地址空間中這1GB的內(nèi)核空間都通過同一份內(nèi)核級頁表和內(nèi)存中的內(nèi)核相映射。?

? ? ? ? 即每一個進程地址空間中的內(nèi)核空間都是一樣的，因為它們都通過同一個內(nèi)核級頁表和內(nèi)存中的OS相互映射。

? ? ? ? 有了以上這些知識的鋪墊，我們就可以理解CPU是如何跑到OS中訪問其資源的：

? ? ? ? 首先用戶寫了一份代碼，CPU將其運行，現(xiàn)狀態(tài)為用戶態(tài)，在CPU執(zhí)行的代碼中有了系統(tǒng)調(diào)用接口，在CPU調(diào)用系統(tǒng)接口時進程轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)，CPU寄存器CR3的值自動轉(zhuǎn)換為0，OS發(fā)現(xiàn)該進程的CR3為0，驗證成功，允許CPU訪問系統(tǒng)資源，且CPU自動從進程地址空間的用戶空間跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間，從而申請系統(tǒng)資源進行訪問，因為此時訪問的還是接口的虛擬地址，需要通過內(nèi)核級頁表去映射內(nèi)存中相應(yīng)的物理地址，最終找到后返回CPU。調(diào)用完系統(tǒng)接口后，CPU再回到用戶空間繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼。? ? ??

? ? ??

用戶態(tài)的進程想要轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)的情況大致有3種：

1.執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)；

2.進程在執(zhí)行過程種出現(xiàn)了中斷、異常、缺陷；

3.進程之間的相互切換

解析:執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用上面已經(jīng)說的很清楚了;
????????對于第2點，進程出現(xiàn)了中斷異常，即表明CPU在執(zhí)行代碼過程發(fā)現(xiàn)了代碼上的錯誤(越界，除零...)然后報告給OS,OS根據(jù)錯誤向進程發(fā)送信號......當(dāng)進程出現(xiàn)中斷時，進程由用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)，然后操作系統(tǒng)成為執(zhí)行者，之后才能做一系列的操作(查出錯誤、發(fā)送信號)，發(fā)送完后進程再轉(zhuǎn)換為用戶態(tài)，然后根據(jù)發(fā)來的信號對出現(xiàn)中斷，異常的地方進行處理，處理完后繼續(xù)往下執(zhí)行代碼。
????????對于第三點進程切換，說自了比如有3個程序被加載到內(nèi)存成為進程，這三個進程被OS放進運行隊列中，CPU通過時間片輪轉(zhuǎn)的方式依次執(zhí)行這三個進程，當(dāng)一個進程被CPU執(zhí)行時，該進程轉(zhuǎn)為用戶態(tài)，執(zhí)行用戶寫的代碼，執(zhí)行幾秒后，該進程被轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)，被操作系統(tǒng)從CPU中剝離到運行隊列，等待下一次的運行。等到下一次再被CPU執(zhí)行時，再轉(zhuǎn)為運行態(tài)...

如下為進程的兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：

?

順序如下：?

第一步：用戶態(tài)進程的CPU需要訪問open系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)時，轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)訪問。

第二步：從用戶空間跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間后，訪問到open函數(shù)的虛擬地址，再通過內(nèi)核級頁表訪問到該函數(shù)的物理地址。緊接著CPU通過進程的兩個位圖和handler數(shù)組表，查看有沒有信號遞達。

第三步：在檢查的過程中第四行的信號正處于未決狀態(tài)，handler表中采用的是自定義方式處理(這時進程仍是內(nèi)核態(tài))，自定義方式為signal(signo, handler)函數(shù)調(diào)用，進程需要轉(zhuǎn)換為用戶態(tài)去執(zhí)行signal方法。

? ? ? ? ?關(guān)于第三步有人就會問了，為什么內(nèi)核態(tài)的進程不能夠去執(zhí)行handler方法，而是還要變成用戶態(tài)才去執(zhí)行？

? ? ? ? 在理論上，內(nèi)核態(tài)進程是完全可以執(zhí)行signal函數(shù)的，但在實際操作上是不被允許的，原因在于：操作系統(tǒng)不相信任何人，萬一用戶寫的代碼是惡意的、非法代碼，用內(nèi)核態(tài)(被操作系統(tǒng)任何)的身份去執(zhí)行，就會導(dǎo)致安全問題。所以必須經(jīng)過特定的方式切換到用戶態(tài)身份去執(zhí)行自定義處理的方式才能保證系統(tǒng)的安全。

第四步：執(zhí)行完signal方法后，需要帶著數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換回內(nèi)核態(tài)，此時，檢查信號是否遞達的工作已然做完。

第五步：進程返回用戶態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行open()函數(shù)之后的代碼。

? ? ? ?

????????關(guān)于第三步完成后，調(diào)用handler表中的方法后，為什么不就在用戶態(tài)中繼續(xù)往下執(zhí)行，還要再回一次內(nèi)核態(tài)？

????????原因：因為進程的上下文信息是系統(tǒng)保存的，是緊密相關(guān)的，進程不能由一種狀態(tài)直接跳回另一種狀態(tài)，這時需要操作系統(tǒng)幫助才能的，需要操作系統(tǒng)就得讓進程經(jīng)過特定的方式回到內(nèi)核態(tài)。

簡化上圖的過程：?

???????綠色圓圈表示進程的兩種身份的切換，共有4次。上圖可以看成是一個無窮大的符號。線上的是用戶態(tài)，線下的是內(nèi)核態(tài)。

? ? ? ? 況且上面這種是進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換最復(fù)雜的情況，因為是自定義的操作，第三步和第四步的過程就導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換多了兩次；

? ? ? ? 若是SIG_DFL(默認(rèn)處理方式)和SIG_IGN(忽略方式)，以內(nèi)核態(tài)身份就可以處理，然后就可以直接返回到用戶代碼中系統(tǒng)調(diào)用的位置，少了兩次身份的轉(zhuǎn)變，如下圖：

????????默認(rèn)和忽略動作只有兩次的身份切換。這兩種方式是程序員寫入到操作系統(tǒng)中的宏定義，是被操作系統(tǒng)所信任的方式，那在第三步的過程中就直接在內(nèi)核態(tài)處理完畢，然后直接返回用戶態(tài)了。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-548150.html

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