1. 保存信號
1.1. 信號其他相關常見概念
1.2. 在內核中的表示
?信號在內核中的表?意圖
- 每個信號都有兩個標志位分別表?阻塞(block)和未決(pending),還有?個函數指針表?處理動作。信號產?時,內核在進程控制塊中設置該信號的未決標志,直到信號遞達才清除該標志。在上圖的例?中,SIGHUP信號未阻塞也未產?過,當它遞達時執?默認處理動作。
// 內核結構 2.6.18
struct task_struct
{/* signal handlers */struct sighand_struct *sighand;sigset_t blocked struct sigpending pending;
};struct sighand_struct
{atomic_t count;struct k_sigaction action[_NSIG]; // #define _NSIG 64spinlock_t siglock;
};struct __new_sigaction
{__sighandler_t sa_handler;unsigned long sa_flags;void (*sa_restorer)(void); /* Not used by Linux/SPARC */__new_sigset_t sa_mask;
};struct k_sigaction
{struct __new_sigaction sa;void __user *ka_restorer;
};/* Type of a signal handler. */
typedef void (*__sighandler_t)(int);
struct sigpending
{struct list_head list;sigset_t signal;
};1.3. sigset_t
從上圖來看,每個信號只有?個bit的未決標志, ?0即1, 不記錄該信號產?了多少次,阻塞標志也是這樣表?的。因此, 未決和阻塞標志可以?相同的數據類型sigset_t來存儲, , 這個類型可以表?每個信號的“有效”或“?效”狀態, 在阻塞信號集中“有效”和“?效”的含義是該信號是否被阻塞, ?在未決信號集中“有效”和“?效”的含義是該信號是否處于未決狀態。下?節將詳細介紹信號集的各種操作。阻塞信號集也叫做當前進程的 這?的“屏蔽”應該理解為阻塞?不是忽略。
1.4. 信號集操作函數
sigset_t類型對于每種信號??個bit表?“有效”或“?效”狀態, ?于這個類型內部如何存儲這些
bit則依賴于系統實現, 從使?者的?度是不必關?的, 使?者只能調?以下函數來操作sigset_ t變量,?不應該對它的內部數據做任何解釋, ?如?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);
這四個函數都是成功返回0,出錯返回-1。sigismember是?個布爾函數,?于判斷?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。
1.4.1. sigprocmask
調?函數 sigprocmask 可以讀取或更改進程的信號屏蔽字(阻塞信號集)。
#include <signal.h>
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?空指針,則讀取進程的當前信號屏蔽字通過oset參數傳出。如果set是?空指針,則更改
進程的信號屏蔽字,參數how指?如何更改。如果oset和set都是?空指針,則先將原來的信號屏蔽字備份到oset?,然后 根據set和how參數更改信號屏蔽字。假設當前的信號屏蔽字為mask,下表說明了how參數的可選值。
如果調?sigprocmask解除了對當前若?個未決信號的阻塞,則在sigprocmask返回前,?少將其中?
個信號遞達。
1.4.2. sigpending
#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);讀取當前進程的未決信號集,通過set參數傳出。
調?成功則返回0,出錯則返回-11.5. 測試相關函數
測試代碼：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>void Printpending(const sigset_t &pending)
{std::cout << "curr process[" << getpid() << "]pending";for (int i = 31; i >= 1; i--){if (sigismember(&pending, i) == 1){std::cout << "1";}else{std::cout << "0";}}std::cout<<std::endl;
}void handler(int signum)
{std::cout << "第" << signum << "號信號被遞達!" << std::endl;std::cout << "------------------------------------" << std::endl;sigset_t pending;Printpending(pending);std::cout << "------------------------------------" << std::endl;
}int main()
{// Step1. 捕捉2號信號signal(2, handler);// Step2. 屏蔽2號信號sigset_t old_set, set;// 只是把用戶級別的sigset_t置空，內核block沒有置空。sigemptyset(&old_set);sigemptyset(&set);sigaddset(&set, 2);int ret = sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &old_set);int cnt = 15;while (true){sigset_t pending;sigpending(&pending);cnt--;Printpending(pending);if (cnt == 0){std::cout << "解除對2號信號的屏蔽!!!" << std::endl;sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_set, &set);}sleep(1);}return 0;
}測試結果：
2. 捕捉信號
2.1. 信號捕捉的流程
?如果信號的處理動作是???定義函數,在信號遞達時就調?這個函數,這稱為捕捉信號。
?由于信號處理函數的代碼是在??空間的,處理過程?較復雜,舉例如下:
?2.2. sigaction
#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);
當某個信號的處理函數被調?時,內核?動將當前信號加?進程的信號屏蔽字,當信號處理函數返回時?動恢復原來的信號屏蔽字,這樣就保證了在處理某個信號時,如果這種信號再次產?,那么 它會被阻塞到當前處理結束為?。 如果在調?信號處理函數時,除了當前信號被?動屏蔽之外,還希望?動屏蔽另外?些信號,則?sa_mask字段說明這些需要額外屏蔽的信號,當信號處理函數返回時?動恢復原來的信號屏蔽字。
2.3. OS是怎么運行的
2.3.1. 硬件中斷
- 操作系統自己維護了一張中斷向量表，用于處理各種中斷。中斷向量表屬于操作系統的一部分，啟動的時候就加載到內存之中了。
- ?通過外部硬件中斷，操作系統就不需要對外設進?任何周期性的檢測或者輪詢。
// Linux內核0.11源碼
void trap_init(void)
{int i;set_trap_gate(0, ÷_error); // 設置除操作出錯的中斷向量值。以下雷同。set_trap_gate(1, &debug);set_trap_gate(2, &nmi);set_system_gate(3, &int3); /* int3-5 can be called from all */set_system_gate(4, &overflow);set_system_gate(5, &bounds);set_trap_gate(6, &invalid_op);set_trap_gate(7, &device_not_availab);// Linux內核0.11源碼void trap_init(void){int i;set_trap_gate(0, ÷_error); // 設置除操作出錯的中斷向量值。以下雷同。set_trap_gate(1, &debug);set_trap_gate(2, &nmi);set_system_gate(3, &int3); /* int3-5 can be called from all */set_system_gate(4, &overflow);set_system_gate(5, &bounds);set_trap_gate(6, &invalid_op);set_trap_gate(7, &device_not_availab);}for (i = 17; i < 48; i++)set_trap_gate(i, &reserved);set_trap_gate(45, &irq13); // 設置協處理器的陷阱?。outb_p(inb_p(0x21) & 0xfb, 0x21); // 允許主8259A 芯?的IRQ2 中斷請求。outb(inb_p(0xA1) & 0xdf, 0xA1); // 允許從8259A 芯?的IRQ13 中斷請求。set_trap_gate(39, ¶llel_interrupt); // 設置并??的陷阱?。
}void rs_init(void)
{set_intr_gate(0x24, rs1_interrupt); // 設置串??1 的中斷?向量(硬件IRQ4 信號)。set_intr_gate(0x23, rs2_interrupt); // 設置串??2 的中斷?向量(硬件IRQ3 信號)。init(tty_table[1].read_q.data); // 初始化串??1(.data 是端?號)。init(tty_table[2].read_q.data); // 初始化串??2。outb(inb_p(0x21) & 0xE7, 0x21); // 允許主8259A 芯?的IRQ3，IRQ4 中斷信號請求。
}
?2.3.2. 時鐘中斷
操作系統在硬件的推動下，自動調度。
// Linux 內核0.11
// main.c
sched_init(); // 調度程序初始化(加載了任務0 的tr, ldtr) （kernel/sched.c）
// 調度程序的初始化?程序。
void sched_init(void)
{... set_intr_gate(0x20, &timer_interrupt);// 修改中斷控制器屏蔽碼，允許時鐘中斷。outb(inb_p(0x21) & ~0x01, 0x21);// 設置系統調?中斷?。set_system_gate(0x80, &system_call);...
}
// system_call.s
_timer_interrupt : ...; // do_timer(CPL)執?任務切換、計時等?作，在kernel/shched.c,305 ?實現。
call _do_timer; // 'do_timer(long CPL)' does everything from
// 調度??
void do_timer(long cpl)
{... schedule();
}
void schedule(void)
{... switch_to(next); // 切換到任務號為next 的任務，并運?之。
}2.3.3. 死循環
我們可以將操作系統理解成一個死循環。
void main(void) /* 這?確實是void，并沒錯。 */
{ /* 在startup 程序(head.s)中就是這樣假設的。 */.../** 注意!! 對于任何其它的任務，'pause()'將意味著我們必須等待收到?個信號才會返* 回就緒運?態，但任務0（task0）是唯?的意外情況（參?'schedule()'），因為任* 務0 在任何空閑時間?都會被激活（當沒有其它任務在運?時），* 因此對于任務0'pause()'僅意味著我們返回來查看是否有其它任務可以運?，如果沒* 有的話我們就回到這?，?直循環執?'pause()'。*/for (;;)pause();
} // end main這樣，操作系統，就在硬件時鐘的推動下，進行自動調度。
2.3.4. 軟中斷
- 上述外部硬件中斷，需要硬件設備觸發。
- 為了讓操作系統?持進?系統調?，CPU也設計了對應的匯編指令(int 或者 syscall),可以讓CPU內部觸發中斷邏輯。（軟中斷）系統調用的過程 其實就是先int 0x80、syscall陷?內核，本質就是觸發軟中斷，CPU就會?動執 ?系統調?的處理?法，?這個?法會根據系統調?號，?動查表，執?對應的?法。
系統調用號的本質就是數組下標！
// sys.h
// 系統調?函數指針表。?于系統調?中斷處理程序(int 0x80)，作為跳轉表。
extern int sys_setup (); // 系統啟動初始化設置函數。 (kernel/blk_drv/hd.c,71)
extern int sys_exit (); // 程序退出。 (kernel/exit.c, 137)
extern int sys_fork (); // 創建進程。 (kernel/system_call.s, 208)
extern int sys_read (); // 讀?件。 (fs/read_write.c, 55)
extern int sys_write (); // 寫?件。 (fs/read_write.c, 83)
extern int sys_open (); // 打開?件。 (fs/open.c, 138)
extern int sys_close (); // 關閉?件。 (fs/open.c, 192)
extern int sys_waitpid (); // 等待進程終?。 (kernel/exit.c, 142)
extern int sys_creat (); // 創建?件。 (fs/open.c, 187)
extern int sys_link (); // 創建?個?件的硬連接。 (fs/namei.c, 721)
extern int sys_unlink (); // 刪除?個?件名(或刪除?件)。 (fs/namei.c, 663)
extern int sys_execve (); // 執?程序。 (kernel/system_call.s, 200)
extern int sys_chdir (); // 更改當前?錄。 (fs/open.c, 75)
extern int sys_time (); // 取當前時間。 (kernel/sys.c, 102)
extern int sys_mknod (); // 建?塊/字符特殊?件。 (fs/namei.c, 412)
extern int sys_chmod (); // 修改?件屬性。 (fs/open.c, 105)
extern int sys_chown (); // 修改?件宿主和所屬組。 (fs/open.c, 121)
extern int sys_break (); // (-kernel/sys.c, 21)
extern int sys_stat (); // 使?路徑名取?件的狀態信息。 (fs/stat.c, 36)
extern int sys_lseek (); // 重新定位讀/寫?件偏移。 (fs/read_write.c, 25)
extern int sys_getpid (); // 取進程id。 (kernel/sched.c, 348)
extern int sys_mount (); // 安裝?件系統。 (fs/super.c, 200)
extern int sys_umount (); // 卸載?件系統。 (fs/super.c, 167)
extern int sys_setuid (); // 設置進程??id。 (kernel/sys.c, 143)
extern int sys_getuid (); // 取進程??id。 (kernel/sched.c, 358)
extern int sys_stime (); // 設置系統時間?期。 (-kernel/sys.c, 148)
extern int sys_ptrace (); // 程序調試。 (-kernel/sys.c, 26)
extern int sys_alarm (); // 設置報警。 (kernel/sched.c, 338)
extern int sys_fstat (); // 使??件句柄取?件的狀態信息。(fs/stat.c, 47)
extern int sys_pause (); // 暫停進程運?。 (kernel/sched.c, 144)
extern int sys_utime (); // 改變?件的訪問和修改時間。 (fs/open.c, 24)
extern int sys_stty (); // 修改終端?設置。 (-kernel/sys.c, 31)
extern int sys_gtty (); // 取終端?設置信息。 (-kernel/sys.c, 36)
extern int sys_access (); // 檢查??對?個?件的訪問權限。(fs/open.c, 47)
extern int sys_nice (); // 設置進程執?優先權。 (kernel/sched.c, 378)
extern int sys_ftime (); // 取?期和時間。 (-kernel/sys.c,16)
extern int sys_sync (); // 同步?速緩沖與設備中數據。 (fs/buffer.c, 44)
extern int sys_kill (); // 終??個進程。 (kernel/exit.c, 60)
extern int sys_rename (); // 更改?件名。 (-kernel/sys.c, 41)
extern int sys_mkdir (); // 創建?錄。 (fs/namei.c, 463)
extern int sys_rmdir (); // 刪除?錄。 (fs/namei.c, 587)
extern int sys_dup (); // 復制?件句柄。 (fs/fcntl.c, 42)
extern int sys_pipe (); // 創建管道。 (fs/pipe.c, 71)
extern int sys_times (); // 取運?時間。 (kernel/sys.c, 156)
extern int sys_prof (); // 程序執?時間區域。 (-kernel/sys.c, 46)
extern int sys_brk (); // 修改數據段?度。 (kernel/sys.c, 168)
extern int sys_setgid (); // 設置進程組id。 (kernel/sys.c, 72)
extern int sys_getgid (); // 取進程組id。 (kernel/sched.c, 368)
extern int sys_signal (); // 信號處理。 (kernel/signal.c, 48)
extern int sys_geteuid (); // 取進程有效??id。 (kenrl/sched.c, 363)
extern int sys_getegid (); // 取進程有效組id。 (kenrl/sched.c, 373)
extern int sys_acct (); // 進程記帳。 (-kernel/sys.c, 77)
extern int sys_phys (); // (-kernel/sys.c, 82)
extern int sys_lock (); // (-kernel/sys.c, 87)
extern int sys_ioctl (); // 設備控制。 (fs/ioctl.c, 30)
extern int sys_fcntl (); // ?件句柄操作。 (fs/fcntl.c, 47)
extern int sys_mpx (); // (-kernel/sys.c, 92)
extern int sys_setpgid (); // 設置進程組id。 (kernel/sys.c, 181)
extern int sys_ulimit (); // (-kernel/sys.c, 97)
extern int sys_uname (); // 顯?系統信息。 (kernel/sys.c, 216)
extern int sys_umask (); // 取默認?件創建屬性碼。 (kernel/sys.c, 230)
extern int sys_chroot (); // 改變根系統。 (fs/open.c, 90)
extern int sys_ustat (); // 取?件系統信息。 (fs/open.c, 19)
extern int sys_dup2 (); // 復制?件句柄。 (fs/fcntl.c, 36)
extern int sys_getppid (); // 取?進程id。 (kernel/sched.c, 353)
extern int sys_getpgrp (); // 取進程組id，等于getpgid(0)。(kernel/sys.c, 201)
extern int sys_setsid (); // 在新會話中運?程序。 (kernel/sys.c, 206)
extern int sys_sigaction (); // 改變信號處理過程。 (kernel/signal.c, 63)
extern int sys_sgetmask (); // 取信號屏蔽碼。 (kernel/signal.c, 15)
extern int sys_ssetmask (); // 設置信號屏蔽碼。 (kernel/signal.c, 20)
extern int sys_setreuid (); // 設置真實與/或有效??id。 (kernel/sys.c,118)
extern int sys_setregid (); // 設置真實與/或有效組id。 (kernel/sys.c, 51)// 系統調?函數指針表。?于系統調?中斷處理程序(int 0x80)，作為跳轉表。
fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,sys_write, sys_open, sys_close, sys_waitpid, sys_creat, sys_link,sys_unlink, sys_execve, sys_chdir, sys_time, sys_mknod, sys_chmod,sys_chown, sys_break, sys_stat, sys_lseek, sys_getpid, sys_mount,sys_umount, sys_setuid, sys_getuid, sys_stime, sys_ptrace, sys_alarm,sys_fstat, sys_pause, sys_utime, sys_stty, sys_gtty, sys_access,sys_nice, sys_ftime, sys_sync, sys_kill, sys_rename, sys_mkdir,sys_rmdir, sys_dup, sys_pipe, sys_times, sys_prof, sys_brk, sys_setgid,sys_getgid, sys_signal, sys_geteuid, sys_getegid, sys_acct, sys_phys,sys_lock, sys_ioctl, sys_fcntl, sys_mpx, sys_setpgid, sys_ulimit,sys_uname, sys_umask, sys_chroot, sys_ustat, sys_dup2, sys_getppid,sys_getpgrp, sys_setsid, sys_sigaction, sys_sgetmask, sys_ssetmask,sys_setreuid, sys_setregid
};我們平時寫代碼的時候用系統調用，并不會直接在用戶層使用int 0x80或者syscall因為Linux的gnu C標準庫，給我們把?乎所有的系統調?全部封裝了。
2.3.5. 缺頁中斷，除0錯誤，野指針錯誤，內存碎片處理
void trap_init(void)
{int i;set_trap_gate(0,÷_error);// 設置除操作出錯的中斷向量值。以下雷同。set_trap_gate(1,&debug);set_trap_gate(2,&nmi);set_system_gate(3,&int3); /* int3-5 can be called from all */set_system_gate(4,&overflow);set_system_gate(5,&bounds);set_trap_gate(6,&invalid_op);set_trap_gate(7,&device_not_available);set_trap_gate(8,&double_fault);set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);set_trap_gate(10,&invalid_TSS);set_trap_gate(11,&segment_not_present);set_trap_gate(12,&stack_segment);set_trap_gate(13,&general_protection);set_trap_gate(14,&page_fault);set_trap_gate(15,&reserved);set_trap_gate(16,&coprocessor_error);// 下?將int17-48 的陷阱?先均設置為reserved，以后每個硬件初始化時會重新設置??的陷阱?。for (i=17;i<48;i++)set_trap_gate(i,&reserved);set_trap_gate(45,&irq13);// 設置協處理器的陷阱?。outb_p(inb_p(0x21)&0xfb,0x21);// 允許主8259A 芯?的IRQ2 中斷請求。outb(inb_p(0xA1)&0xdf,0xA1);// 允許從8259A 芯?的IRQ13 中斷請求。set_trap_gate(39,¶llel_interrupt);// 設置并??的陷阱?。
} 缺?中斷？內存碎?處理？除零野指針錯誤？這些問題，全部都會被轉換成為CPU內部的軟中斷，
然后?中斷處理例程，完成所有處理。有的是進?申請內存，填充?表，進?映射的。有的是?來
處理內存碎?的，有的是?來給?標進?發送信號，殺掉進程等等。
2.4. 如何理解用戶態和內核態
+論文+數據+源碼)
