要理解Linux中內核如何對信號進行捕捉，我們需要很多前置知識的理解：

• 內核態和用戶態的區別
• CPU指令集權限
• 內核態和用戶態之間的切換

由于文章的側重點不同，上面這些知識我會在這篇文章盡量詳細提及，更詳細內容還得請大家查看這篇文章：
內核態與用戶態詳解

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一、內核態和用戶態的區別

內核態和用戶態本質上是對CPU狀態的描述。內核態的權限最大，能夠執行一切“特權代碼”。而用戶態則受限制，必須切換到內核態才能執行“特權代碼”。

這就意味著內核態能夠調度全部硬件資源，本質上就是對權限進行保護。由于硬件資源非常復雜，稍有不慎就會出現很大的問題，所以不是人人都有權限去調度。這樣做就是為了安全性和穩定性。

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二、CPU指令集權限

具體來說每一條匯編指令都對應一條CPU指令，非常多的CPU指令組成了CPU指令集。指令集則通過CPU實現軟件對硬件的調度。
同時CPU指令有分級權限。CPU指令能夠操作硬件資源，硬件資源是非常復雜的，很容易出問題。所以操作系統直接屏蔽掉用戶對CPU指令集的操作。

CPU指令分級總共有四級，從高到低依次為：

• ring0
• ring1
• ring2
• ring3

Linux系統僅采用ring0和ring3這2個權限。用戶態的程序工作在3，內核態的程序處于0：

• ring0權限最高，可以使用所有CPU指令集，有對硬件的所有操作權限
• ring3權限最低，僅能使用常規CPU指令集，不能使用操作硬件資源的CPU指令集。代碼沒有對硬件的直接控制權限，也不能直接訪問地址的內存，程序是通過調用系統接口(System Call APIs)來達到訪問硬件和內存

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三、內核態和用戶態之間的切換

1.如何理解進程切換？

• 在當前進程的進程地址空間中的內核空間，找到操作系統的代碼和數據。
• 執行操作系統的代碼，將當前進程的代碼和數據剝離下來，并換上另一個進程的代碼和數據。

注意： 當你訪問用戶空間時你必須處于用戶態，當你訪問內核空間時你必須處于內核態。

從用戶態切換為內核態通常有如下幾種情況：

• 需要進行系統調用時。
• 當前進程的時間片到了，導致進程切換。
• 產生異常、中斷、陷阱等。

與之相對應，從內核態切換為用戶態有如下幾種情況：

• 系統調用返回時。
• 進程切換完畢。
• 異常、中斷、陷阱等處理完畢。

其中，由用戶態切換為內核態我們稱之為陷入內核。每當我們需要陷入內核的時，本質上是因為我們需要執行操作系統的代碼，比如系統調用函數是由操作系統實現的，我們要進行系統調用就必須先由用戶態切換為內核態。

2.系統調用

用戶態要主動切換到內核態要有統一的入口，它們就是內核提供的系統調用接口，下面是Linux整體架構圖：

我們可以看出來通過系統調用將Linux整個體系分為內核態和用戶態，而內核提供了一組通用的訪問接口，它們使應用程序能訪問到內核的資源，如CPU、內存、I/O，這些接口就叫系統調用。

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四、內核如何實現信號的捕捉？

當我們在執行主控制流程的時候，可能因為某些情況而陷入內核，當內核處理完畢準備返回用戶態時，就需要進行信號pending的檢查。（此時仍處于內核態，有權力查看當前進程的pending位圖）

在查看pending位圖時，如果發現有未決信號，并且該信號沒有被阻塞，那么此時就需要該信號進行處理。

1.待處理信號是默認或忽略

如果待處理信號的處理動作是默認或者忽略，則執行該信號的處理動作后清除對應的pending標志位，如果沒有新的信號要遞達，就直接返回用戶態，從主控制流程中上次被中斷的地方繼續向下執行即可。

2.待處理信號是自定義捕捉的

但如果待處理信號是自定義捕捉的，即該信號的處理動作是由用戶提供的，那么處理該信號時就需要先返回用戶態執行對應的自定義處理動作，執行完后再通過特殊的系統調用sigreturn再次陷入內核并清除對應的pending標志位，如果沒有新的信號要遞達，就直接返回用戶態，繼續執行主控制流程的代碼。

注意： 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。

3.巧記

當待處理信號是自定義捕捉時的情況比較復雜，可以借助下圖進行記憶：

其中，該圖形與直線有4個交點就代表在這期間有4次狀態切換，而箭頭的方向就代表著此次狀態切換的方向，圖形中間的圓點就代表著檢查pending表。

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當識別到信號的處理動作是自定義時，能直接在內核態執行用戶空間的代碼嗎？不能！！！

• 理論上來說是可以的，因為內核態是一種權限非常高的狀態，但是絕對不能這樣設計。
• 如果允許在內核態直接執行用戶空間的代碼，那么用戶就可以在代碼中設計一些非法操作，比如清空數據庫等，雖然在用戶態時沒有足夠的權限做到清空數據庫，但是如果是在內核態時執行了這種非法代碼，那么數據庫就真的被清空了，因為內核態是有足夠權限清空數據庫的。
• 也就是說，不能讓操作系統直接去執行用戶的代碼，因為操作系統無法保證用戶的代碼是合法代碼，即操作系統不信任任何用戶。

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特別鳴謝：
Linux進程信號
內核態與用戶態詳解