2022-2023-1 20201324《信息安全系统设计与实现（上）》第6章

目录

1. 摘要
2. 信号和中断
   • 进程中断
   • 进程的陷阱错误
3. Unix/Linux信号示例
4. Unix/Linux中的信号处理
   • 信号类型
   • 信号的来源
   • 段错误捕捉函数
   • 进程PROC结构体中的信号
   • 信号处理函数
   • 安装信号捕捉函数
5. 信号处理步骤
6. Linux中的IPC
   • 实现一个消息的IPC

1 摘要

本章讲述了信号和信号处理；介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看待信号；将信号视为进程中断，将进程从正常执行转移到信号处理；解释了信号的来源，包括来自硬件、异常和其他进程的信号；然后举例说明了信号在Unix/Linux中的常见用法；详细解释了Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤；用示例展示了如何安装信号捕捉器来处理程序异常，如用户模式下的段错误；还讨论了将信号用作进程间通信（IPC）机制的适用性。读者可借助该编程项目，使用信号和管道来实现用于进程交换信息的进程间通信机制。

2 信号和中断

1. 进程的概念概括：

   • 从事日常事务的人。
   • 在用户模式或内核模式下运行的Unix/Linux进程。
   • 执行机器指令的CPU。

2. 中断是发送给进程的事件，它将进程从正常活动转移到其他活动，称为中断处理。“进程”可在完成“中断”处理后恢复正常活动。

   • “中断”一词可应用于任何“进程”，并不仅限于计算机中的CPU。
   • 按紧急程度，中断可分为不可屏蔽(NMI)和可屏蔽。

进程中断

这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的中断：

• 来自硬件的中断：终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。
• 来自其他进程的中断：kill(pid, SIG#)、death_of_child等。
• 自己造成的中断：除以0、无效地址等。

进程的陷阱错误

进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的，例如除以0、无效地址、非法指令、越权等。当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。

如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。在Unix/Linux中，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了。

3 Unix/Linux信号示例

1. 按"Ctrl+C”组合键通常会导致当前运行的进程终止。原因如下：

   • “Ctrl+C”组合键会生成一个键盘硬件中断。键盘中断处理程序将"Ctrl+C”组合键转换为SIGINT(2)信号，发送给终端上的所有进程，并唤醒等待键盘输入的进程。

2. 用户可使用nohup a.out &命令在后台运行一个程序。即使在用户退出后，进程仍将继续运行。nohup命令会使sh像往常一样复刻子进程来执行程序，但是子进程会忽略SIGHUP(1)信号。

3. 几天后，用户再次登录时可能会发现后台进程仍在运行。用户可以使用sh命令kill pid（或kill -s 9 pid）杀死该进程。方法如下：

   • 执行杀死的进程向pid标识的目标进程发送一个SIGTERM(15)信号，请求它死亡。目标进程将会遵从请求并终止。
   • 如果进程选择忽略SIGTERM信号，它可能拒绝死亡。在这种情况下，我们可以使用kill -s 9 pid，肯定能杀死它，因为进程不能修改对9号信号的动作。

4 Unix/Linux中的信号处理

信号类型

Unix/Linux支持31种不同的信号，每种信号在signal.h文件中都有定义。

#define SIGHUP
#define SIGINT
// ...（省略其他信号定义）
#define SIGPWR
#define SIGSYS

信号的来源

1. 来自硬件中断的信号：
   • 在执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程硬件

信号示例：
- 中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。
- 间隔定时器，当它的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。
- 其他硬件错误，如总线错误、IO陷阱。

2. 来自异常的信号：

   • 常见的陷阱信号有SIGFPE(8)，表示浮点异常（除以0），最常见也是最可怕的是SIGSEGV(11)，表示段错误。

3. 来自其他进程的信号：

   • 进程可以使用kill(pid, sig)系统调用向pid标识的目标进程发送信号。

段错误捕捉函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf env;
int count = 0;

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
    printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n", sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count);
    if (count >= 4)
        longjmp(env, 1234);
}

int BAD()
{
    int *ip = 0;
    printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
    *ip = 123;
    printf("should not see this line\n");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int r;
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = &handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigaction(SIGSEGV, &act, NULL);
    if ((r = setjmp(env)) == 0)
        BAD();
    else
        printf("proc %d survived SEGMENTATION FAULT: r=%d\n", getpid(), r);

    printf("proc %d looping\n");
    while (1)
        ;
}

进程PROC结构体中的信号

每个进程PROC都有一个32位向量，用来记录发送给进程的信号。在位向量中，每一位（0位除外）代表一个信号编号。此外，他还有一个信号MASK位向量，用来屏蔽相应的信号。

信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组int sig[32]。sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示DEFault (默认)，1表示IGNore (忽略)，其他非零值表示用户模式下预先安装的信号捕捉(处理)函数。

安装信号捕捉函数

进程可以使用系统调用

int r = signal(int signal_number, void *handler);

来修改选定信号编号的处理函数，（19）和（9）除外，他们不能修改。

5 信号处理步骤

1. 当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为DEFault。然后，它会在用户模式下返回，以执行捅捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。因此，该进程会先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。

2. 重置用户安装的信号捕捉函数:用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同 Unix版本中会有所不同。例如，在 BSD Unix中，信号处理函数不会被重置，但是该信号在执行信号捕捉函数时会被阻塞。感兴趣的读者可参考关于Lioux信号和sigaction函数的手册页，以了解更多详细信息。

3. 信号和唤醒:在Unix/Linux内核中有两种SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP状态,到达的信号(必须来自硬件中断或其他进程)不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优先级休眠，这种休眠是可中断的,SIGINT这类信号即可唤醒它。

6 Linux中的IPC

IPC是指用于进程间通信的机制。在Linux中，IPC包含以下部分:

• 管道和FIFO
• 信号
• System V IPC
• POSIX消息队列
• 线程同步机制
• 套接字

实现一个消息的IPC

#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<string.h>
#define LEN 64
int ppipe[2];
int pid;
char line[LEN];
int parent()
{
  printf("parent %d running\n",getpid());
  close(ppipe[0]);
  while(1){
  printf("parent %d: input a line : \n",getpid());
  fgets(line,LEN,stdin);
  line[strlen(line)-1]=0;
  printf("parent %d write to pipe\n",getpid());
  write(ppipe[1],line,LEN);
  printf("parent %d send signal 10 to %d\n",getpid(),pid);
  kill(pid,SIGUSR1);
}
}
void chandler(int sig)
{
  printf("\nchild %d got an interrupt sig=%d\n",getpid(),sig);
  read(ppipe[0],line,LEN);
  printf("child %d get a message = %s\n",getpid(),line);
}
int child()
{
  char msg[LEN];
  int parent = getppid();
  printf("child %d running\n",getpid());
  close(ppipe[1]);
  signal(SIGUSR1,chandler);
  while(1);
}
int main()
{
  pipe(ppipe);
  pid=fork();
  if(pid)
  parent();
  else
  child();
}

苏格拉底挑战