【Linux-进程信号】详谈信号捕捉

详谈信号捕捉

内核如何实现信号的捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数（调用signal函数自定义处理函数），在信号递达时就调用这个函数，这称为信号捕捉。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂

典型的操作系统中信号处理的机制

1.进入内核态：当程序因为中断、异常或系统调用陷入内核态时，系统会检查进程的信号屏蔽位图（block）和待处理信号位图（pending）。这些位图用于管理进程当前需要阻塞的信号和待处理的信号。

2.信号处理：如果待处理的信号存在且没有被阻塞，内核会准备处理这个信号。如果处理方式不是默认动作（SIG_DFL）或忽略信号（SIG_IGN），则需要进入用户态执行相应的信号处理函数。

3.清除信号位：在执行信号处理函数时，内核会将待处理信号位图中该信号对应的位清零，表示信号已被处理。同时，为了防止在信号处理函数执行时再次收到相同的信号，内核会自动将该信号加入进程的信号屏蔽字（block），直到信号处理函数返回时，恢复原来的信号屏蔽字。

4.再次检查信号：当信号处理函数执行完成并返回内核态时，系统会再次检查是否还有待处理的信号。如果有，系统会继续处理其他待处理的信号。如果没有，则恢复用户态继续执行主流程。

这种机制的优点在于：

•减少用户态与内核态之间的上下文切换：在内核态处理完毕后，通过顺带处理信号，减少了频繁的上下文切换开销。

•信号的屏蔽与自动恢复：信号处理时会暂时屏蔽同种信号，避免信号处理函数嵌套调用，从而保证信号处理的安全性。

举例：用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数SigHandler的前提下。当前正在执行main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检测到有信号SIGQUIT递达，内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行，而是执行SigHandler函数，SigHandler函数使用户态的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。SigHandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。

信号处理过程涉及以下三个堆栈：

1.主执行流调用堆栈：这是进程在用户态正常执行时的调用堆栈。当进程在用户态运行时，函数的调用和返回都在这个堆栈上进行。

2.内核调用堆栈：当进程因系统调用、中断或异常陷入内核态时，内核会使用内核态专门的堆栈来处理这些事件。内核堆栈与用户态的主执行流堆栈是独立的，防止了用户态的执行流干扰内核态的处理。

3.信号处理函数调用堆栈：当信号到达并且需要调用相应的处理函数时，操作系统会切换到一个专门用于信号处理的堆栈上（可以是主执行流的堆栈，也可以是专门分配的信号处理堆栈）。信号处理函数执行时并不是主执行流堆栈上的函数调用，内核也不会直接调用信号处理函数。

这些堆栈之间的关系：

•信号处理函数的独立性：信号处理函数的调用是异步的，它可以在主执行流的任意时刻打断当前执行的用户态代码，执行完信号处理函数后再返回主执行流。因此，信号处理函数并不作为主执行流的一个普通函数调用，而是在独立的上下文中进行处理。

•内核调用堆栈的独立性：当程序因为系统调用、中断或异常进入内核态时，内核使用内核堆栈处理应的任务。内核的任务完成后，可能会处理信号的挂起状态，但处理信号的函数仍然是在用户态堆栈中执行。内核本身不会调用用户态的信号处理函数。

•主执行流和信号处理的关系：当信号到来时，信号处理函数可能打断主执行流的执行，但它并不从主执行流堆栈中弹出当前正在执行的函数，而是在信号处理完后返回继续执行主流代码。这是通过保存当前的上下文，并在处理完信号后恢复主流执行流的上下文来实现的。

因此，这三个堆栈之间的独立性确保了信号处理可以在任何时刻插入，且不会破坏主程序的调用栈或与内核态的操作混淆。这种设计也是为了提高系统的安全性和健壮性，避免不同堆栈之间的相互影响。

若某个信号的处理函数位于用户空间，且当前只有该信号需要递达，没有其他信号的前提下。一次信号处理过程中，总共会发生2次用户态到内核态的转化，2次内核态到用户态的转化

★ps：如果收到2号信号的时候收到3号信号，在执行完2号信号后，会自动屏蔽2号信号，此时会处理3号信号。因此，在整个信号处理的过程中，可能会出现交替处理不同信号的情况，但是不会出现连续重复处理同一信号的情况

【验证】处理当前信号时，当前信号屏蔽字为1，即被阻塞

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

void SigHandler(int signo)
{
	std::cout << "catch a signo : " << signo << std::endl;
	sigset_t set;
	sigemptyset(&set);
	sigprocmask(SIG_BLOCK, NULL, &set);
	if(sigismember(&set, 2)) std::cout << "the block bit is 1" << std::endl;
	else std::cout << "the block bit is 0" << std::endl;
}

int main()
{
	signal(2, SigHandler);
	while(1)
	{}
	return 0;
}

下面代码验证，在执行处理函数前，该信号的pending位图标记为已经被置0

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

void SigHandler(int signo)
{
	std::cout << "catch a signo : " << signo << std::endl;
	sigset_t set;
	sigemptyset(&set);
	sigpending(&set);
	if(sigismember(&set, signo)) std::cout << "sig's pending bit is 1" << std::endl;
	else std::cout << "sig's pending bit is 0" << std::endl;
}

int main()
{
	signal(2, SigHandler);
	while(1)
	{}
	return 0;
}

sigaction

sigaction也是一种信号捕捉函数，但相比于signal函数，它具有更大的灵活性。sigaction() 函数是 POSIX 标准中定义的一个系统调用，用于设置或查询与指定信号关联的处理动作。这个函数允许您更改信号的处理方式，例如设置自定义的信号处理函数或使用信号默认处理函数。

• signum：指定要操作的信号编号。

• act：指向 struct sigaction 结构的指针，用于指定新的信号处理动作。如果这个参数为 NULL，则表示不更改信号的处理动作。

• oldact：指向 struct sigaction 结构的指针，用于接收旧的信号处理动作。如果这个参数为 NULL，则表示不获取旧的信号处理动作。

struct sigaction 结构定义如下：

• sa_handler：指向信号处理函数的指针。如果设置了这个字段，当信号发生时，会调用这个函数来处理信号。

• sa_sigaction：指向高级信号处理函数的指针。这个函数可以接收更多的信息，如信号的详细信息（siginfo_t 结构）和额外的参数（void *）。

• sa_mask：指定信号屏蔽字，用于指定哪些信号在信号处理函数执行期间应该被阻塞。

• sa_flags：指定与信号处理相关的标志位

返回值：如果成功，sigaction() 函数返回 0；如果失败，它返回 -1，并设置 errno 以指示错误。

【示例】用sigaction演示当正在使用一个信号的时候，OS会自动屏蔽这个信号

当前如果正在对n号信号进行处理，默认n号信号会被自动屏蔽

对n号信号处理完成的时候，会自动解除对n号信号的屏蔽

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

void Print(sigset_t &pending)
{
    for(int sig = 31; sig > 0; sig--)
    {
        if(sigismember(&pending, sig))
        {
            std::cout << 1;
        }
        else
        {
            std::cout << 0;
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}

void handler(int signum)
{
    std::cout << "get a sig: " << signum << std::endl;
    while(true)
    {
        sigset_t pending;
        sigpending(&pending);

        Print(pending);

        sleep(1);
        // sleep(30);
        //break;
    }
    // exit(1);
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 如果你还想处理2号(OS对2号自动屏蔽)，同时对其他信号也进行屏蔽
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    act.sa_flags = 0;

    for(int i = 0; i <= 31; i++)
        sigaction(i, &act, &oact);

    while(true)
    {
        std::cout << "I am a process, pid: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

第一次捕捉到2号信号会进入捕捉函数，第二次捕捉到时候会进入未决状态

当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生.，那么它会被阻塞到当前处理结束为止。如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。sa_flags字段包含一些选项，本章不详细解释这两个字段，有兴趣的同学可以在了解一下。