一、信號的處理時(shí)機(jī)

在前面我們講過信號產(chǎn)生和保存以后，我們知道進(jìn)程對于產(chǎn)生的信號不是立即去處理的，而是在"合適"的時(shí)候去處理信號，這是因?yàn)樾盘柕漠a(chǎn)生的異步的，當(dāng)前進(jìn)程可能正在做更重要的事情!。

那么信號可以被立即處理嗎？答案的可以的，但是要滿足這個(gè)條件：

在Linux中如果一個(gè)信號之前被阻塞過，當(dāng)他解除阻塞時(shí)，對應(yīng)的信號會被立即遞達(dá)！

那么對于進(jìn)程來說什么是"合適"的時(shí)候呢？
答案是：當(dāng)進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)的時(shí)候，進(jìn)程會在操作系統(tǒng)的指導(dǎo)下，進(jìn)行信號的檢測與處理!

二、內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

簡單來說內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的區(qū)別就是：
用戶態(tài)：進(jìn)程只能執(zhí)行用戶所寫的代碼。
內(nèi)核態(tài)：進(jìn)程只能執(zhí)行操作系統(tǒng)的代碼。

我們知道操作系統(tǒng)也是一款軟件，而且是一款專注于搞管理的軟件，在對進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度、執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用、異常、中斷、陷阱等，都需要借助操作系統(tǒng)，執(zhí)行操作系統(tǒng)的代碼，此時(shí)進(jìn)程便處于內(nèi)核態(tài)。

進(jìn)程又是如何被調(diào)度的呢？

1. 操作系統(tǒng)的本質(zhì)：
   • 操作系統(tǒng)也是軟件，并且是一個(gè)死循環(huán)式等待指令的軟件。
   • 計(jì)算機(jī)內(nèi)部存在一個(gè)硬件：時(shí)鐘模塊，每隔一段時(shí)間向操作系統(tǒng)發(fā)送時(shí)鐘中斷
2. 進(jìn)程被調(diào)度，就意味著它的時(shí)間片到了，操作系統(tǒng)會通過時(shí)鐘中斷，檢測到是哪一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片到了，然后通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù) schedule()保存進(jìn)程的上下文數(shù)據(jù)，然后選擇合適的進(jìn)程去運(yùn)行，這就完成了一次進(jìn)程調(diào)度。

1、內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的轉(zhuǎn)化

• 用戶態(tài)向內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)化的時(shí)機(jī)：

1. 當(dāng)進(jìn)程時(shí)間片到了之后，需要進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度時(shí)。
2. 調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口，比如 open、read 時(shí)
3. 產(chǎn)生異常、中斷、陷阱時(shí)

• 內(nèi)核態(tài)向用戶態(tài)的轉(zhuǎn)化的時(shí)機(jī)：

1. 進(jìn)程調(diào)度完成以后。
2. 系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用完畢時(shí)。
3. 異常、中斷、陷阱處理完畢時(shí)。

2、重談進(jìn)程地址空間

關(guān)于進(jìn)程地址空間的初級知識可以看這里《進(jìn)程地址空間》
在以前我們只討論了[0, 3]G的用戶空間，并沒有對[3, 4]G的內(nèi)核空間進(jìn)行討論，現(xiàn)在我們對[3, 4]G的內(nèi)核空間進(jìn)行討論。

我們在談?wù)撚脩艨臻g時(shí)提到，用戶空間的地址要經(jīng)過頁表映射到物理地址，這個(gè)用戶空間的頁表其實(shí)其真實(shí)名稱是用戶級頁表，對于內(nèi)核空間來說也有一張頁表，也負(fù)責(zé)將內(nèi)核空間的地址映射到物理地址中，這個(gè)頁表的名稱是內(nèi)核級頁表。這兩張頁表是相互獨(dú)立的！

內(nèi)核空間里面存放的是操作系統(tǒng)代碼和數(shù)據(jù)， 所以執(zhí)行操作系統(tǒng)的代碼及系統(tǒng)調(diào)用，其實(shí)就是在使用這 1 GB 的內(nèi)核空間

1. 對于所有的進(jìn)程[0, 3]GB是不同的，每一個(gè)進(jìn)程都要有自己的用戶級頁表用來映射自己的代碼和數(shù)據(jù)。
2. 所有的進(jìn)程[3，4]GB是一樣的，每一個(gè)進(jìn)程都可以看到同一張內(nèi)核級頁表，所有進(jìn)程都可以通過統(tǒng)一的窗口，看到同一個(gè)操作系統(tǒng)!
3. 無論進(jìn)程如何切換，[3,4]GB不變，看到的都是OS的內(nèi)容，與進(jìn)程切換無關(guān)，也就是說進(jìn)程切換其實(shí)切換的是[0, 3]G的用戶空間里面的內(nèi)容和用戶級頁表!
4. 操作系統(tǒng)運(yùn)行的本質(zhì): 其實(shí)是在進(jìn)程的地址空間內(nèi)運(yùn)行的!
5. 由于內(nèi)核空間中存放的是操作系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)，所以調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的本質(zhì): 其實(shí)就如同調(diào)用動態(tài)庫中的函數(shù)，在自己的地址空間中進(jìn)行函數(shù)跳轉(zhuǎn)并返回即可!

由于操作系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)是不能夠被輕易訪問的，所以在正文代碼中如果要執(zhí)行操作系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)，需要先進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化，由用戶態(tài)轉(zhuǎn)化為內(nèi)核態(tài)，才能成功執(zhí)行，那么這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

對于狀態(tài)轉(zhuǎn)化，操作系統(tǒng)采用的是軟硬件結(jié)合的方式。

• 硬件方面：
  在CPU中，存在一個(gè) CR3 寄存器，這個(gè)寄存器的作用就是用來表是當(dāng)前處于進(jìn)程所處的狀態(tài)。
  
  當(dāng)CR3寄存器中的值為 3 時(shí)：表示處于用戶態(tài)，可以執(zhí)行用戶的代碼。
  當(dāng)CR3寄存器中的值為 0 時(shí)：表示處于內(nèi)核態(tài)，可以執(zhí)行操作系統(tǒng)的代碼。

• 軟件方面
  Linux并沒有給我們提供相應(yīng)的接口讓我們可以更改CR3寄存器里面的值，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)沒有辦法保證每一個(gè)用戶使用OS的代碼和數(shù)據(jù)時(shí)都要先更改CR3寄存器的值，所以OS提供的所有的系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)部在正執(zhí)行調(diào)用邏輯的時(shí)候，會去修改執(zhí)行級別! 這樣就保證了用戶使用系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候用戶所處的狀態(tài)是內(nèi)核態(tài)。

三、信號的處理

1、一般信號的處理流程

當(dāng)CPU正在執(zhí)行某條代碼時(shí)，可能因?yàn)?strong>中斷、異?；蛳到y(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，然后在內(nèi)核態(tài)完成相應(yīng)的任務(wù)，任務(wù)完成以后并不是直接返回用戶態(tài)，而是調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用do_signal()去處理可以遞達(dá)信號。

處理信號時(shí)會從1號到31號逐個(gè)檢查block表和pending表，當(dāng)block和pending表符合處理?xiàng)l件時(shí)才進(jìn)行信號遞達(dá)。

當(dāng)信號遞達(dá)時(shí)就需要調(diào)用handler表里面對應(yīng)位置的的函數(shù)進(jìn)行執(zhí)行：

2、捕捉信號的處理流程

對于被捕捉的信號，與普通信號有所不同，在調(diào)用自定義處理方法時(shí)，由handler表里面的方法是用戶的代碼，所以還要進(jìn)行一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為用戶態(tài)，然后執(zhí)行自定義動作，當(dāng)自定義動作執(zhí)行完畢時(shí)OS會自動調(diào)用一次系統(tǒng)調(diào)用sigreturn()使用戶態(tài)重新陷入內(nèi)核變成內(nèi)核態(tài)，然后在內(nèi)核態(tài)再調(diào)用sys _sigreturn()進(jìn)行返回并恢復(fù)為用戶態(tài)。

下面我們通過一張圖快速記憶捕捉信號的處理過程：

ps: 在執(zhí)行hadler表中的方法之前，操作系統(tǒng)會先將pengding表對應(yīng)位置的1給清零。

3、信號捕捉函數(shù)sigaction

該函數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，功能與signal()函數(shù)類似但是功能會更加強(qiáng)大，sigaction函數(shù)可以讀取和修改指定信號相關(guān)聯(lián)的處理動作。

• 參數(shù)：

  1. 第一個(gè)參數(shù)是要捕捉的信號，第二個(gè)與第三個(gè)都是一個(gè)結(jié)構(gòu)體參數(shù)，但是第二個(gè)參數(shù)是輸入型參數(shù)，第三個(gè)是輸出形參數(shù)。
  2. 若act指針非空,則根據(jù)act修改該信號的處理動作。若oact指針非空,則通過oact傳出該信號原來的處理動作。act和oact指向sigaction結(jié)構(gòu)體。

• 返回值：
  ?調(diào)用成功則返回0,出錯則返回-1

結(jié)構(gòu)體的定義如下：

1. 第一個(gè)字段是函數(shù)指針，這個(gè)函數(shù)就是我們捕捉完信號以后要執(zhí)行的處理動作。
2. 第二個(gè)與第五個(gè)字段是實(shí)時(shí)信號的處理函數(shù),這里我們不做詳細(xì)解釋，可以直接設(shè)置為0。
3. 第三個(gè)字段是一個(gè)信號屏蔽集，這個(gè)字段設(shè)置完畢以后我們可以在處理捕捉信號時(shí)對信號屏蔽集里面的信號進(jìn)行屏蔽。
4. 第四個(gè)字段包含了一些選項(xiàng)，一般默認(rèn)設(shè)置為0。

關(guān)于信號處理時(shí)的一些機(jī)制:

當(dāng)某個(gè)信號的處理函數(shù)被調(diào)用時(shí)，內(nèi)核會自動將當(dāng)前信號加入進(jìn)程的信號屏蔽字,當(dāng)信號處理函數(shù)返回時(shí)自動恢復(fù)原來的信號屏蔽字，這樣就保證了在處理某個(gè)信號時(shí)，如果這種信號再次產(chǎn)生，那么它會被阻塞到當(dāng)前處理結(jié)束為止。

下面我們來使用該函數(shù)驗(yàn)證一下信號處理時(shí)：內(nèi)核會自動將當(dāng)前信號加入進(jìn)程的信號屏蔽字。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

// 打印pending表
void PrintPending(sigset_t set)
{
    std::cout << "當(dāng)前的pending表：";
    for (int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        if (sigismember(&set, i))
        {
            std::cout << '1';
        }
        else
        {
            std::cout << '0';
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}

// 自定義處理動作
void handler(int signum)
{
    std::cout << "捕捉到了" << signum << "信號，執(zhí)行了自定義動作" << std::endl;
    int cnt = 0;
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    while (cnt < 5)
    {
        cnt++;
        sigpending(&set);
        PrintPending(set);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    memset(&oact, 0, sizeof(act));
    act.sa_handler = handler;
    sigaction(2, &act, &oact);
    while (true)
    {
        sleep(1);
    }
}

這段代碼中我們對2號信號進(jìn)行了捕捉，自定義處理動作就是在自定義函數(shù)中停留5秒，每秒都打印一下當(dāng)前狀態(tài)的pending表。

我們可以運(yùn)行程序，然后給該進(jìn)程發(fā)送2號信號觸發(fā)自定義處理動作，然后再在5秒之內(nèi)再次發(fā)送2號信號觀察pending表是否為1,如果為1就代表當(dāng)前信號收到了阻塞，如果沒有變成1代表沒有受到阻塞。

可以看到結(jié)果符合我們的理論。

接下來我們嘗試?yán)?code>sigaction將3, 4號信號也加入信號屏蔽集中。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>


// 打印pending表
void PrintPending(sigset_t set)
{
    std::cout << "當(dāng)前的pending表：";
    for (int i = 1; i <= 31; i++)
    {
        if (sigismember(&set, i))
        {
            std::cout << '1';
        }
        else
        {
            std::cout << '0';
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}


// 自定義處理動作
void handler(int signum)
{
    std::cout << "捕捉到了" << signum << "信號，執(zhí)行了自定義動作" << std::endl;
    int cnt = 0;
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    while (cnt < 15)
    {
        cnt++;
        sigpending(&set);
        PrintPending(set);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    sigset_t set, oset;
    // 進(jìn)行初始化
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    memset(&oact, 0, sizeof(act));
    sigemptyset(&set);
    sigemptyset(&oset);
    // 將3， 4也加入信號屏蔽集中
    sigaddset(&set, 3);
    sigaddset(&set, 4);
    act.sa_handler = handler;
    // 設(shè)置信號屏蔽字
    act.sa_mask = set;
    sigaction(2, &act, &oact);

    std::cout << "進(jìn)程的pid是：" << getpid() << std::endl;
    while (true)
    {
        sleep(1);
    }
}

如果我們還想將其他信號進(jìn)行屏蔽，我們可以繼續(xù)修改sigaction結(jié)構(gòu)體里面sa_mask字段。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-650714.html

到了這里，關(guān)于【Linux】進(jìn)程信號之信號的處理的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！