• 序：在上一章中，我們對信號的概念及其識別的底層原理有了一定認識，也知道了信號產生的五種方式，以及core dump是什么，而本章將著重對信號的保存與處理進行講解，去深入了解信號處理的底層邏輯，去了解什么是用戶態和內核態，以及用戶態和內核態轉換的時機，本章還會淺談可重入函數以及Volatile關鍵字

1. 信號的保存

1.1 信號的狀態管理

對于普通信號而言，對于進程（是給進程的PCB發）而言，要識別自己有沒有收到信號，以及收到了哪一個信號。

task_struct{
int signal；// 0000 ...... 0000普通信號，位圖管理信號
}

1. 比特位的內容是0還是1，表明是否收到
2. 比特位的位置（第幾個），表明信號的編號
3. 所謂的 “發信號” ，本質就是操作系統去修改task_struct的信號位圖對應的比特位（寫信號！！！）

問題一：信號為什么要保存？

進程收到信號之后，可能不會立即處理這個信號。此時信號不會被處理，就要有一個時間窗口。信號的范圍[1,31],每一種信號都要有自己的一種處理方法.

信號的幾種狀態：

實際執行信號的處理動作稱為信號遞達(Delivery)
信號從產生到遞達之間的狀態,稱為信號未決(Pending)。
進程可以選擇阻塞 (Block )某個信號。
被阻塞的信號產生時將保持在未決狀態,直到進程解除對此信號的阻塞,才執行遞達的動作.
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。

信號在內核中的表示示意圖：

每個信號都有兩個標志位分別表示阻塞(block)和未決(pending),還有一個函數指針表示處理動作。信號產生時,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。在上圖的例子中,SIGHUP信號未阻塞也未產生過,當它遞達時執行默認處理動作。

SIGINT信號產生過,但正在被阻塞,所以暫時不能遞達。雖然它的處理動作是忽略,但在沒有解除阻塞之前不能忽略這個信號,因為進程仍有機會改變處理動作之后再解除阻塞。

SIGQUIT信號未產生過,一旦產生SIGQUIT信號將被阻塞,它的處理動作是用戶自定義函數sighandler。如果在進程解除對某信號的阻塞之前這種信號產生過多次,將如何處理?POSIX.1允許系統遞送該信號一次或多次。Linux是這樣實現的:常規信號在遞達之前產生多次只計一次,而實時信號在遞達之前產生多次可以依次放在一個隊列里。本章不討論實時信號。

sigpending函數：

其中的set參數是一個輸出型參數，他會將當前的pending表傳出。

sigprocmask函數：

第一個參數how：

參數	含義
SIG_BLOCK	set包含了我們希望添加到當前信號屏蔽字的信號
SIG_UNBLOCK	set包含了我們希望從當前信號屏蔽字中解除阻塞的信號
SIG_SETMASK	設置當前信號屏蔽字為set所指向的值

第二個參數：表示要傳入的block阻塞表
第三個參數：表示之前的block舊表

問題二：我要是將所以信號都進行屏蔽，信號不就不會被處理了嗎？

然而操作系統不會給你這個機會的，比如9號信號和19號信號，用戶就屏蔽不了

2. 信號的處理

2.1 用戶態與內核態

問題一：信號是什么時候被處理的？

當我們的進程從內核態返回到用戶態的時候，進行信號好的檢測和處理

當我們在調用系統調用時，操作系統會將我們的用戶身份轉化為內核身份，然后由操作系統幫我把函數執行完，返回時，再把我的內核身份換回用戶身份 ------ 操作系統是自動會做“身份”切換的，用戶身份變成內核身份，或者反著來！

問題二：什么是用戶態和內核態？

內核態：允許你訪問操作系統的代碼和數據
用戶態：只能訪問用戶自己的代碼和數據

2.2 信號處理和捕捉的內核原理

問題三：信號是如何被處理的？

操作系統不信任用戶，不僅僅體現在不讓用戶訪問自己，也體現在操作系統不會訪問用戶自己寫的代碼！！！所以當在內核態處理信號時，會先將該信號的pending置0，然后去執行，要是執行到了自定義行為，那么進程就要先由內核狀態轉化為用戶態，去執行這個自定義行為，然后再變為內核態繼續在操作系統中執行系統操作，然后再回到用戶態，返回值。（基于用戶捕捉代碼）

問題四：內核如何實現信號的捕捉

如果信號的處理動作是用戶自定義函數,在信號遞達時就調用這個函數,這稱為捕捉信號。由于信號處理函數的代碼是在用戶空間的,處理過程比較復雜,舉例如下: 用戶程序注冊了SIGQUIT信號的處理函數sighandler。 當前正在執行main函數,這時發生中斷或異常切換到內核態。 在中斷處理完畢后要返回用戶態的main函數之前檢查到有信號SIGQUIT遞達。 內核決定返回用戶態后不是恢復main函數的上下文繼續執行,而是執行sighandler函 數,sighandler和main函數使用不同的堆棧空間,它們之間不存在調用和被調用的關系,是 兩個獨立的控制流程。 sighandler函數返回后自動執行特殊的系統調用sigreturn再次進入內核態。 如果沒有新的信號要遞達,這次再返回用戶態就是恢復main函數的上下文繼續執行了。

在這個過程中，一共發生了四次狀態的轉換，所謂的信號的識別，其實就是在進程進入內核態時，順手完成的任務。CPU內部的信號int 80（是一條匯編語句） 從用戶態陷入內核態，這樣就有權利去訪問操作系統的數據了。

2.3 sigaction函數

sigaction函數：

sigaction結構體：

struct sigaction {void     (*sa_handler)(int);void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);sigset_t   sa_mask;int        sa_flags;void     (*sa_restorer)(void);};

由于我們目前只研究普通信號，所以，該結構體當中的第二、第四和第五個參數我們不做討論，感興趣的小伙伴可以自行去搜索。
該函數的第一個參數是要處理的信號數字，第二個參數表示要傳入的sigaction結構體，第三個參數是輸出型參數，他會保存上一次的sigaction結構體的數據。

直觀的代碼和運行結果能讓我們直接看到這個函數的作用：

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>using namespace std;void PrintPending()
{sigset_t myset;sigpending(&myset);for(int signo=31;signo>=1;signo--){if(sigismember(&myset,signo)){cout<<"1";}else{cout<<"0";}}cout<<endl;
}void handler(int signo)
{while(true){PrintPending();cout<<"signal : "<<signo<<" acted"<<endl;sleep(1);}
}int main()
{signal(SIGINT,handler);struct sigaction myset,oset;memset(&myset,0,sizeof(myset));memset(&myset,0,sizeof(oset));//sigemptyset(&myset.sa_mask);//sigaddset(&myset.sa_mask,SIGINT);myset.sa_handler=handler;sigaction(SIGINT,&myset,&oset);while(true){cout<<"i am process: "<<getpid()<<endl;sleep(1);}return 0;
}

運行結果如下：

由上圖可知，在處理某個信號之前，該信號的pending表對應的值會先置0，然后才會執行對應的處理行動。

總結：如果某個信號正在進行處理，那么，在這個期間，這個信號的信號屏蔽字將會變成1，此時，無論外界再發送多少個該信號，都不會執行，只會將該信號對應的pending表中的值置1，但是不是執行，因為此時該信號已經阻塞了，這就防止了當該信號處理時，被重復執行，之后當這個信號處理完畢，才會取消阻塞，然后繼續執行之前發的信號，并在信號執行期間繼續阻塞該信號！！！

3. 可重入函數

當我們執行insert函數時，進行到一半，執行完p->next=head;語句后，觸發了信號，執行此時信號中也有insert函數，然后執行信號中的insert，執行信號處理后，再繼續執行main函數中的語句head=p;此時，由于函數重入，引發節點丟失，導致內存泄漏！！！

如果一個函數，被重復進入的情況下，出錯了，或者可能出錯，就叫做不可重入函數。否則就叫做可重入函數。

4. Volatile

在g++中是有優化選項的，編譯器在編譯的時候，有不同的優化級別

源代碼：

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>using namespace std;int flag=0;void handler(int signo)
{cout<<" change flag 0->1 "<<endl;flag=1;
}int main()
{signal(SIGINT,handler);while(!flag);cout<<"process quit"<<endl;return 0;
}

1. O0的優化：

sigproc:sigproc.cppg++ -o $@ $^ -O1 -g -std=c++11

結果如圖：

2. O1的優化：

sigproc:sigproc.cppg++ -o $@ $^ -O1 -g -std=c++11

結果如圖：

3. O3的優化：

sigproc:sigproc.cppg++ -o $@ $^ -O3 -g -std=c++11

結果如圖：

問題一：為什么優化過后，程序退不出去？

此時volatile int flag=0;使用volatile關鍵字修飾flag就能防止編譯器過度優化，保持內存的可見性！！！

5. SIGCHLD信號

當子進程退出時，不是靜悄悄的退出，子進程在退出的時候，會主動向父進程發送SIGCHLD（17號）信號。所以在進行進程等待的時候，我們可以采用基于信號的方式進行等待

問題一：等待的好處是什么？

1. 獲取子進程的退出狀態，釋放子進程的僵尸。
2. 雖然不知道父子進程誰先運行（由調度器決定），但是我們清楚，一定是父進程先退出！！！
所以，還是要調用wait/waitpid這樣的接口，且父進程必須保證自己是一直在運行的！

問題二：我們必須等待嗎？必須調用wait嗎？

Signal（17，SIG_IGN）;表示忽略17號信號，子進程會自動退出！！！

總結：

本章帶大家理解了信號的保存與處理，知道了信號的不同的保存狀態，以及處理信號時的內核態和用戶態的轉化原理，還擴展了可重入函數和Volatile關鍵字，以及SIGCHLD信號，最后，希望這篇文章對大家有一定幫助。