[Linux打怪升级之路]-信号的保存和递达

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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目录

一、信号的保存 

1、信号其他相关常见概念

2、信号在内核中的表示

3、sigset_t

4. 信号集操作函数 

二、 模仿实现内核对信号的保存

1、信号函数

 2、实验代码

三、信号的的捕捉 

1、内核态和用户态

2、信号的捕捉流程 

四、信号的补充知识

 1、sigaction函数

2、可重入函数

3、 volatile关键字

本期学习目标：信号的保存，信号的捕捉，什么是可重入函数和关键字volatile。

一、信号的保存 

1、信号其他相关常见概念

  • 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
  • 信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。
  • 进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
  • 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.
  • 注意: 阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

2、信号在内核中的表示

信号在内核中的表示示意图

        每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending),还有一个函数指针表示处理动作。

从位图中我们理解pending位图和信号的关系， 操作系统发信号，本质也就是将信号写入到pending位图中。pending位图中的比特位的内容也就表征了是否收到该信号

对于block位图：比特位的位置也是代表，信号的编号，但是比特位的内容表示是否阻塞对应的信号。如果阻塞了就不在执行该信号，除非解除阻塞。 

if((1<<(signo -1)) & pcb->block)
{
   //signo信号被阻塞，不递达
}
else
{
  if((1<<(signo -1)) & pcb->pending)
  {
    //递达该信号
  }
}

 上面我们写了一份伪代码，来理解内核是如何大致处理信号未决到递达的过程和信号阻塞。

其中在内核中还有一个handler的数组用来存放信号，其中数组的下标表示信号的编号，数组

下标对应的内容表示信号的内容。

所以：当一个信号没有产生这并不妨碍他可以先被阻塞。

3、sigset_t

        从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。

        因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号 的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有 效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。

     阻塞信号集也叫做当 前进程的信号屏蔽字(Signal Mask),这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略

4. 信号集操作函数 

        sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态,至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统 实现,从使用者的角度是不必关心的,使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量,而不应该对它的内部数据做 任何解释,比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的 。

#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);
  • 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有 效信号。
  • 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置位,表示 该信号集的有效信号包括系 统支持的所有信号。

注意：在使用sigset_ t类型的变量之前,一定要调 用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的 状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号

这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。sigismember是一个布尔函数,用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。 

二、 模仿实现内核对信号的保存

     为了更好的理解，内核如何进行对信号的保存的，下面我们自己写一份代码，去验证信号在内核中的保存。

1、信号函数

sigprocmask函数

功能：可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。

原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset)

返回值：若成功则为0,若出错则为-1

  •  如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。
  • 如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,
  • 参数how指示如何更改。
  • 果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号 屏蔽字备份到oset里,然后 根据set和how参数更改信号屏蔽字。

上面一直说信号屏蔽字，那这到底有上面用？

信号屏蔽字是一个位掩码，用于指定哪些信号被阻塞（屏蔽）而不会被递送给进程。当某个信号被屏蔽时，它将被搁置，直到信号解除屏蔽为止。这允许进程在关键部分屏蔽某些信号，以确保在执行临界区代码时不会被中断。 

对于sigprocmask函数，当假设当前屏蔽字为mask 下表说明了how参数的可选值.

SIG_BLOCKset包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask=mask|set
SIG_UNBLOCKset包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于mask=mask&~set
SIG_SETMASK设置当前信号屏蔽字为set所指向的值，相当于mask=se

sigpending 函数

功能：读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出

原型：int sigpending(sigset_t *set)

返回值：调用成功则返回0,出错则返回-1。

 2、实验代码

这里我们验证2号信号为例(ctrl+c)

#include<iostream>
#include<vector>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>

using namespace std;
#define MAX_SIGNUM 31

static vector<int> sigarr = {2};



static void show_pending(const sigset_t &pending)
{
    for(int signo = MAX_SIGNUM; signo >= 1;signo--)
    {
        if(sigismember(&pending,signo))
        {
            cout<< "1";
        }
        else
        {
            cout << "0";
        }
    }
    cout << endl;
}

static void myhandler(int signo)
{
    cout << signo << " 号信号已经被递达!!" << endl;
}

int main()
{

    for(const auto &sig : sigarr) signal(sig, myhandler);
    sigset_t block, oblock, pending;
    //初始化
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);
    sigemptyset(&pending);
    //添加要屏蔽的信号
    for(const auto& sig : sigarr) sigaddset(&block,sig);

    //开始屏蔽，设置内核
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&block,&oblock);

    //遍历打印penging信号集
    int cnt = 10;

    while(true)
    {
        //初始化
        sigemptyset(&pending);
        //获取
        sigpending(&pending);
        //打印
        show_pending(pending);
        sleep(1);
        printf("%d\n",cnt);
        if(cnt-- == 0)
        {
            sigprocmask(SIG_SETMASK,&oblock,&block);
            cout << "恢复对信号的屏蔽,不屏蔽任何信号"<<endl;
        }
    }
    return 0;
}

 

三、信号的的捕捉 

1、内核态和用户态

在理解信号捕捉流程前，我们要明白什么是内核态和用户态：

  1. 内核态（Kernel Mode）：

    • 权限高： 内核态拥有系统的最高权限，可以执行特权指令和访问系统的所有资源。
    • 操作系统内核运行： 在内核态下，操作系统的内核代码运行，可以执行对硬件的直接访问和控制。
    • 敏感指令： 内核态可以执行一些敏感指令，如修改全局页表、禁止中断等。
    • 特权级别： 通常，内核态运行在较高的特权级别（Ring 0或Supervisor Mode），这是计算机体系结构（如x86）中的一个常见术语。

  2. 用户态（User Mode）：

    • 权限低： 用户态拥有较低的权限，受到更多的限制，无法直接访问底层硬件资源。
    • 用户应用程序运行： 在用户态下，用户应用程序运行，其执行受到操作系统的控制和限制。
    • 受限指令： 用户态下的程序不能直接执行一些特权指令，如修改页表、禁止中断等。
    • 特权级别： 用户态通常运行在较低的特权级别（Ring 3或User Mode）。

       在正常的程序执行中，处理器在用户态和内核态之间进行切换。当应用程序需要执行需要更高权限的操作时（如访问硬件、执行特权指令），会触发一个从用户态到内核态的切换。这通常通过系统调用（system call）来实现，应用程序请求操作系统执行某些特权操作，操作系统会在内核态执行相应的服务例程。 

在进行切换身份进行系统调用的时候，调用的人是进程，但是身份是内核。系统调用是比较占用时间的，所以我们应该尽量频繁的使用系统调用。

理解什么是内核态和用户态

那一个进程，是怎么跑到OS中去执行方法的呢？

 这是因为每个进程都有自己的地址空间(用户独占的空间)内核空间(被映射到了每个进程的3~4G)，

这时进程要访问OS的接口，只要在自己的地址空间上跳转就好了

注意：每个进程都会3~4GB地址空间，都会共享一个内核级页表，无论进程如何切换，都吧会更该这个页表

2、信号的捕捉流程 

其实上面的进程捕捉流程，我们可以用倒写的8字来记忆

注意：

  • 默认情况下：我们所以的信号是不被阻塞的
  • 默认情况下：如果一个信号被屏蔽了，该信号就不会被递达

四、信号的补充知识

 1、sigaction函数

功能：读取和修改与指定信号相关联的处理动作

原型： int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact)

参数：

  • signum 是指定信号的编号
  • 若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作
  • 若oact指针非空,则通过oact传 出该信号原来的处理动作

返回：调用成功则返回0,出错则返回- 1

act和oact指向sigaction结构体 :

将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函数,该函数返回 值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信 号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用

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。 

下面我们通过代码来理解一下sigaction函数

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

using namespace std;

void Count(int cnt)
{
    while(cnt)
    {
        printf("cnt: %2d\r", cnt);
        fflush(stdout);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    printf("\n");
}

void handler(int signo)
{
    cout << "get a signo: " << signo << "正在处理中..." << endl;
    Count(20);
}
int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 当我们正在处理某一种信号的时候，我们也想顺便屏蔽其他信号，就可以添加到这个sa_mask中
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaction(SIGINT, &act, &oact);

    while(true) sleep(1);

    return 0;
}

这里我们观察到，我们一直给进程发2号信号，发现他不马上执行所育的2号信号的，而是一个一个的执行。

这里我们就知道了，正在递达某个信号期间，同类信号无法被递达，系统会自动将当前信号加入到进程的信号屏蔽字block，当信号完成捕捉动作，系统又会自动解除对该信号的屏蔽(一般一个信号被解除屏蔽的时候，会自动递达当前屏蔽信号，如果该信号已经被pending的话，就不做任何处理)。

2、可重入函数

为了理解可重写入函数，这里我们有一个链表，我们做如下操作：

这里我们发现node2丢失了， 我们代码也没有写错，而仅仅是在一个mian函数中执行了二个执行流。

这里在mian函数handler中该函数重复进入 ，出了问题，我们就称函数insert为不可以重入函数。

这里在mian函数handler中该函数重复进入 ，没有出问题，我们就称函数insert为可以重入函数。

如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的：

  • 调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
  • 调用了标准I/O库函数。标准 比特科技 I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

3、 volatile关键字

下面我们看一个现象：

int quit = 0;
void handler(int signo)
{
    printf("pid: %d, %d 号信号，正在被捕捉!\n", getpid(), signo);
    printf("quit: %d", quit);
    quit = 1;
    printf("-> %d\n", quit);
}


int main()
{
    signal(2,handler);
    while(!quit);
    printf("我是正常退出\n");
}

 

这个结果是显而易见。

当我们调整 gcc的优化程度，可用man gcc手册查看

//调整优化gcc
g++ -o $@ $^  -O3 #-std=c++11

在次运行代码 

 发现代码进入了死循环，这是为什么呢？

这是因为main函数中有二个流，编译器认为在main执行流中quit没有改，所以编译器只将物理内存中的值由0变1，但是Cpu中寄存器中0没有变。（编译器的优化）

为了解决编译器的优化这就要用到volatile 关键字

volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作

 volatile int quit = 0;

在次运行代码：问题就解决了

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