前言

作者：小蝸牛向前沖

名言：我可以接受失敗，但我不能接受放棄

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目錄

一、信號的保存?

1、信號其他相關(guān)常見概念

2、信號在內(nèi)核中的表示

3、sigset_t

4. 信號集操作函數(shù)?

二、?模仿實現(xiàn)內(nèi)核對信號的保存

1、信號函數(shù)

?2、實驗代碼

三、信號的的捕捉?

1、內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

2、信號的捕捉流程?

四、信號的補充知識

?1、sigaction函數(shù)

2、可重入函數(shù)

3、?volatile關(guān)鍵字

本期學(xué)習(xí)目標(biāo)：信號的保存，信號的捕捉，什么是可重入函數(shù)和關(guān)鍵字volatile。

一、信號的保存?

1、信號其他相關(guān)常見概念

• 實際執(zhí)行信號的處理動作稱為信號遞達(Delivery)
• 信號從產(chǎn)生到遞達之間的狀態(tài),稱為信號未決(Pending)。
• 進程可以選擇阻塞 (Block )某個信號。
• 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,才執(zhí)行遞達的動作.
• 注意: 阻塞和忽略是不同的,只要信號被阻塞就不會遞達,而忽略是在遞達之后可選的一種處理動作。

2、信號在內(nèi)核中的表示

信號在內(nèi)核中的表示示意圖

? ? ? ? 每個信號都有兩個標(biāo)志位分別表示阻塞(block)和未決(pending),還有一個函數(shù)指針表示處理動作。

從位圖中我們理解pending位圖和信號的關(guān)系，?操作系統(tǒng)發(fā)信號，本質(zhì)也就是將信號寫入到pending位圖中。pending位圖中的比特位的內(nèi)容也就表征了是否收到該信號

對于block位圖：比特位的位置也是代表，信號的編號，但是比特位的內(nèi)容表示是否阻塞對應(yīng)的信號。如果阻塞了就不在執(zhí)行該信號，除非解除阻塞。?

if((1<<(signo -1)) & pcb->block)
{
   //signo信號被阻塞，不遞達
}
else
{
  if((1<<(signo -1)) & pcb->pending)
  {
    //遞達該信號
  }
}

?上面我們寫了一份偽代碼，來理解內(nèi)核是如何大致處理信號未決到遞達的過程和信號阻塞。

其中在內(nèi)核中還有一個handler的數(shù)組用來存放信號，其中數(shù)組的下標(biāo)表示信號的編號，數(shù)組

下標(biāo)對應(yīng)的內(nèi)容表示信號的內(nèi)容。

所以：當(dāng)一個信號沒有產(chǎn)生這并不妨礙他可以先被阻塞。

3、sigset_t

? ? ? ? 從上圖來看,每個信號只有一個bit的未決標(biāo)志,非0即1,不記錄該信號產(chǎn)生了多少次,阻塞標(biāo)志也是這樣表示的。

? ? ? ? 因此,未決和阻塞標(biāo)志可以用相同的數(shù)據(jù)類型sigset_t來存儲,sigset_t稱為信號集,這個類型可以表示每個信號 的“有效”或“無效”狀態(tài),在阻塞信號集中“有效”和“無效”的含義是該信號是否被阻塞,而在未決信號集中“有 效”和“無效”的含義是該信號是否處于未決狀態(tài)。

? ? ?阻塞信號集也叫做當(dāng) 前進程的信號屏蔽字(Signal Mask),這里的“屏蔽”應(yīng)該理解為阻塞而不是忽略

4. 信號集操作函數(shù)?

? ? ? ? sigset_t類型對于每種信號用一個bit表示“有效”或“無效”狀態(tài),至于這個類型內(nèi)部如何存儲這些bit則依賴于系統(tǒng) 實現(xiàn),從使用者的角度是不必關(guān)心的,使用者只能調(diào)用以下函數(shù)來操作sigset_ t變量,而不應(yīng)該對它的內(nèi)部數(shù)據(jù)做 任何解釋,比如用printf直接打印sigset_t變量是沒有意義的?。

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo); 

• 函數(shù)sigemptyset初始化set所指向的信號集,使其中所有信號的對應(yīng)bit清零,表示該信號集不包含 任何有 效信號。
• 函數(shù)sigfillset初始化set所指向的信號集,使其中所有信號的對應(yīng)bit置位,表示 該信號集的有效信號包括系 統(tǒng)支持的所有信號。

注意：在使用sigset_ t類型的變量之前,一定要調(diào) 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信號集處于確定的 狀態(tài)。初始化sigset_t變量之后就可以在調(diào)用sigaddset和sigdelset在該信號集中添加或刪除某種有效信號

這四個函數(shù)都是成功返回0,出錯返回-1。sigismember是一個布爾函數(shù),用于判斷一個信號集的有效信號中是否包含某種信號,若包含則返回1,不包含則返回0,出錯返回-1。?

二、?模仿實現(xiàn)內(nèi)核對信號的保存

? ? ?為了更好的理解，內(nèi)核如何進行對信號的保存的，下面我們自己寫一份代碼，去驗證信號在內(nèi)核中的保存。

1、信號函數(shù)

sigprocmask函數(shù)

功能：可以讀取或更改進程的信號屏蔽字(阻塞信號集)。

原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset)

返回值：若成功則為0,若出錯則為-1

• ?如果oset是非空指針,則讀取進程的當(dāng)前信號屏蔽字通過oset參數(shù)傳出。
• 如果set是非空指針,則 更改進程的信號屏蔽字,
• 參數(shù)how指示如何更改。
• 果oset和set都是非空指針,則先將原來的信號 屏蔽字備份到oset里,然后 根據(jù)set和how參數(shù)更改信號屏蔽字。

上面一直說信號屏蔽字，那這到底有上面用？

信號屏蔽字是一個位掩碼，用于指定哪些信號被阻塞（屏蔽）而不會被遞送給進程。當(dāng)某個信號被屏蔽時，它將被擱置，直到信號解除屏蔽為止。這允許進程在關(guān)鍵部分屏蔽某些信號，以確保在執(zhí)行臨界區(qū)代碼時不會被中斷。?

對于sigprocmask函數(shù)，當(dāng)假設(shè)當(dāng)前屏蔽字為mask?下表說明了how參數(shù)的可選值.

sigpending?函數(shù)

功能：讀取當(dāng)前進程的未決信號集,通過set參數(shù)傳出

原型：int sigpending(sigset_t *set)

返回值：調(diào)用成功則返回0,出錯則返回-1。

?2、實驗代碼

這里我們驗證2號信號為例(ctrl+c)

#include<iostream>
#include<vector>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>

using namespace std;
#define MAX_SIGNUM 31

static vector<int> sigarr = {2};



static void show_pending(const sigset_t &pending)
{
    for(int signo = MAX_SIGNUM; signo >= 1;signo--)
    {
        if(sigismember(&pending,signo))
        {
            cout<< "1";
        }
        else
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

static void myhandler(int signo)
{
    cout << signo << " 號信號已經(jīng)被遞達!!" << endl;
}

int main()
{

    for(const auto &sig : sigarr) signal(sig, myhandler);
    sigset_t block, oblock, pending;
    //初始化
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);
    sigemptyset(&pending);
    //添加要屏蔽的信號
    for(const auto& sig : sigarr) sigaddset(&block,sig);

    //開始屏蔽，設(shè)置內(nèi)核
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&block,&oblock);

    //遍歷打印penging信號集
    int cnt = 10;

    while(true)
    {
        //初始化
        sigemptyset(&pending);
        //獲取
        sigpending(&pending);
        //打印
        show_pending(pending);
        sleep(1);
        printf("%d\n",cnt);
        if(cnt-- == 0)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK,&oblock,&block);
            cout << "恢復(fù)對信號的屏蔽,不屏蔽任何信號"<<endl;
        }
    }
    return 0;
}

?

三、信號的的捕捉?

1、內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

在理解信號捕捉流程前，我們要明白什么是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)：

1. 內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）：

   • 權(quán)限高：?內(nèi)核態(tài)擁有系統(tǒng)的最高權(quán)限，可以執(zhí)行特權(quán)指令和訪問系統(tǒng)的所有資源。
   • 操作系統(tǒng)內(nèi)核運行：?在內(nèi)核態(tài)下，操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼運行，可以執(zhí)行對硬件的直接訪問和控制。
   • 敏感指令：?內(nèi)核態(tài)可以執(zhí)行一些敏感指令，如修改全局頁表、禁止中斷等。
   • 特權(quán)級別：?通常，內(nèi)核態(tài)運行在較高的特權(quán)級別（Ring 0或Supervisor Mode），這是計算機體系結(jié)構(gòu)（如x86）中的一個常見術(shù)語。

2. 用戶態(tài)（User Mode）：

   • 權(quán)限低：?用戶態(tài)擁有較低的權(quán)限，受到更多的限制，無法直接訪問底層硬件資源。
   • 用戶應(yīng)用程序運行：?在用戶態(tài)下，用戶應(yīng)用程序運行，其執(zhí)行受到操作系統(tǒng)的控制和限制。
   • 受限指令：?用戶態(tài)下的程序不能直接執(zhí)行一些特權(quán)指令，如修改頁表、禁止中斷等。
   • 特權(quán)級別：?用戶態(tài)通常運行在較低的特權(quán)級別（Ring 3或User Mode）。

? ? ? ?在正常的程序執(zhí)行中，處理器在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間進行切換。當(dāng)應(yīng)用程序需要執(zhí)行需要更高權(quán)限的操作時（如訪問硬件、執(zhí)行特權(quán)指令），會觸發(fā)一個從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。這通常通過系統(tǒng)調(diào)用（system call）來實現(xiàn)，應(yīng)用程序請求操作系統(tǒng)執(zhí)行某些特權(quán)操作，操作系統(tǒng)會在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)例程。?

在進行切換身份進行系統(tǒng)調(diào)用的時候，調(diào)用的人是進程，但是身份是內(nèi)核。系統(tǒng)調(diào)用是比較占用時間的，所以我們應(yīng)該盡量頻繁的使用系統(tǒng)調(diào)用。

理解什么是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

那一個進程，是怎么跑到OS中去執(zhí)行方法的呢？

?這是因為每個進程都有自己的地址空間(用戶獨占的空間)內(nèi)核空間(被映射到了每個進程的3~4G)，

這時進程要訪問OS的接口，只要在自己的地址空間上跳轉(zhuǎn)就好了

注意：每個進程都會3~4GB地址空間，都會共享一個內(nèi)核級頁表，無論進程如何切換，都吧會更該這個頁表

2、信號的捕捉流程?

其實上面的進程捕捉流程，我們可以用倒寫的8字來記憶

注意：

• 默認(rèn)情況下：我們所以的信號是不被阻塞的
• 默認(rèn)情況下：如果一個信號被屏蔽了，該信號就不會被遞達

四、信號的補充知識

?1、sigaction函數(shù)

功能：讀取和修改與指定信號相關(guān)聯(lián)的處理動作

原型：?int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,?struct sigaction *oldact)

參數(shù)：

• signum?是指定信號的編號
• 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

返回：調(diào)用成功則返回0,出錯則返回- 1

act和oact指向sigaction結(jié)構(gòu)體?:

將sa_handler賦值為常數(shù)SIG_IGN傳給sigaction表示忽略信號,賦值為常數(shù)SIG_DFL表示執(zhí)行系統(tǒng)默認(rèn)動作,賦值為一個函數(shù)指針表示用自定義函數(shù)捕捉信號,或者說向內(nèi)核注冊了一個信號處理函數(shù),該函數(shù)返回 值為void,可以帶一個int參數(shù),通過參數(shù)可以得知當(dāng)前信號的編號,這樣就可以用同一個函數(shù)處理多種信 號。顯然,這也是一個回調(diào)函數(shù),不是被main函數(shù)調(diào)用,而是被系統(tǒng)所調(diào)用

當(dāng)某個信號的處理函數(shù)被調(diào)用時,內(nèi)核自動將當(dāng)前信號加入進程的信號屏蔽字,當(dāng)信號處理函數(shù)返回時自動恢復(fù)原來 的信號屏蔽字,這樣就保證了在處理某個信號時,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。 如果 在調(diào)用信號處理函數(shù)時,除了當(dāng)前信號被自動屏蔽之外,還希望自動屏蔽另外一些信號,則用sa_mask字段說明這些需 要額外屏蔽的信號,當(dāng)信號處理函數(shù)返回時自動恢復(fù)原來的信號屏蔽字。?

下面我們通過代碼來理解一下sigaction函數(shù)

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

using namespace std;

void Count(int cnt)
{
    while(cnt)
    {
        printf("cnt: %2d\r", cnt);
        fflush(stdout);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    printf("\n");
}

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << "正在處理中..." << endl;
    Count(20);
}
int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 當(dāng)我們正在處理某一種信號的時候，我們也想順便屏蔽其他信號，就可以添加到這個sa_mask中
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaction(SIGINT, &act, &oact);

    while(true) sleep(1);

    return 0;
}

這里我們觀察到，我們一直給進程發(fā)2號信號，發(fā)現(xiàn)他不馬上執(zhí)行所育的2號信號的，而是一個一個的執(zhí)行。

這里我們就知道了，正在遞達某個信號期間，同類信號無法被遞達，系統(tǒng)會自動將當(dāng)前信號加入到進程的信號屏蔽字block，當(dāng)信號完成捕捉動作，系統(tǒng)又會自動解除對該信號的屏蔽(一般一個信號被解除屏蔽的時候，會自動遞達當(dāng)前屏蔽信號，如果該信號已經(jīng)被pending的話，就不做任何處理)。

2、可重入函數(shù)

為了理解可重寫入函數(shù)，這里我們有一個鏈表，我們做如下操作：

這里我們發(fā)現(xiàn)node2丟失了，?我們代碼也沒有寫錯，而僅僅是在一個mian函數(shù)中執(zhí)行了二個執(zhí)行流。

這里在mian函數(shù)handler中該函數(shù)重復(fù)進入 ，出了問題，我們就稱函數(shù)insert為不可以重入函數(shù)。

這里在mian函數(shù)handler中該函數(shù)重復(fù)進入 ，沒有出問題，我們就稱函數(shù)insert為可以重入函數(shù)。

如果一個函數(shù)符合以下條件之一則是不可重入的：

• 調(diào)用了malloc或free,因為malloc也是用全局鏈表來管理堆的。
• 調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)I/O庫函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn) 比特科技 I/O庫的很多實現(xiàn)都以不可重入的方式使用全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3、?volatile關(guān)鍵字

下面我們看一個現(xiàn)象：

int quit = 0;
void handler(int signo)
{
    printf("pid: %d, %d 號信號，正在被捕捉!\n", getpid(), signo);
    printf("quit: %d", quit);
    quit = 1;
    printf("-> %d\n", quit);
}


int main()
{
    signal(2,handler);
    while(!quit);
    printf("我是正常退出\n");
}

?

這個結(jié)果是顯而易見。

當(dāng)我們調(diào)整 gcc的優(yōu)化程度，可用man?gcc手冊查看

//調(diào)整優(yōu)化gcc
g++ -o $@ $^  -O3 #-std=c++11

在次運行代碼?

?發(fā)現(xiàn)代碼進入了死循環(huán)，這是為什么呢？

這是因為main函數(shù)中有二個流，編譯器認(rèn)為在main執(zhí)行流中quit沒有改，所以編譯器只將物理內(nèi)存中的值由0變1，但是Cpu中寄存器中0沒有變。（編譯器的優(yōu)化）

為了解決編譯器的優(yōu)化這就要用到volatile?關(guān)鍵字

volatile 作用：保持內(nèi)存的可見性，告知編譯器，被該關(guān)鍵字修飾的變量，不允許被優(yōu)化，對該變量的任何操作，都必須在真實的內(nèi)存中進行操作

 volatile int quit = 0;

在次運行代碼：問題就解決了

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-752868.html

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