一、信號捕捉處理的概述

1、信號捕捉處理全過程

如果信號的處理動作是用戶自定義函數(shù)，在信號遞達時就調(diào)用這個函數(shù)，這稱為捕捉信號，這個我們前面說過，但是我們的過程是比較復雜的，首先我們在執(zhí)行主控制流程的某條指令時因為系統(tǒng)調(diào)用等原因會進入內(nèi)核，然后內(nèi)核處理完成后發(fā)送信號，如果信號的處理動作是自定義的信號處理函數(shù)就回到用戶區(qū)執(zhí)行信號處理函數(shù)，執(zhí)行完之后因為信號處理函數(shù)的特殊性，它要再次進入內(nèi)核區(qū)，然后回到用戶模式繼續(xù)執(zhí)行

我們在用戶區(qū)和內(nèi)核區(qū)來回切換的時候，操作系統(tǒng)負責做我們的身份（用戶身份和內(nèi)核身份）切換工作，用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)是通過匯編指令int 80完成的

在進程從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時進行信號的檢測和處理

并且main函數(shù)和自定義信號捕捉處理函數(shù)使用不同的堆?？臻g，它們之間不存在調(diào)用和被調(diào)用的關(guān)系

2、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)是操作系統(tǒng)中CPU的兩種運行狀態(tài)，它們在訪問權(quán)限、資源使用等方面存在顯著差異，以下是對這兩種狀態(tài)的標準解釋：

（一）用戶態(tài)

用戶態(tài)是操作系統(tǒng)為普通用戶程序提供的一種運行模式，在用戶態(tài)下運行的程序擁有較低的特權(quán)級別，只能訪問受限的系統(tǒng)資源和執(zhí)行特定的操作，大部分用戶編寫的應用程序（如文本編輯器、瀏覽器等）都是在用戶態(tài)下運行的

用戶態(tài)程序只能訪問自己的內(nèi)存空間，不能直接訪問系統(tǒng)的核心資源，如硬件設備、操作系統(tǒng)內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，并且只能執(zhí)行一部分指令，一些具有高風險或?qū)ο到y(tǒng)影響較大的指令（如修改系統(tǒng)時鐘、控制硬件中斷等）是被禁止執(zhí)行的

由于用戶態(tài)程序的權(quán)限受到限制，即使程序出現(xiàn)錯誤（如內(nèi)存越界、死循環(huán)等），也不會對整個操作系統(tǒng)造成嚴重影響，只會影響到該程序自身

（二）內(nèi)核態(tài)

內(nèi)核態(tài)是操作系統(tǒng)內(nèi)核運行的模式，具有最高的特權(quán)級別，操作系統(tǒng)內(nèi)核負責管理系統(tǒng)的核心資源，如內(nèi)存、進程、文件系統(tǒng)、設備驅(qū)動等，因此需要在高特權(quán)的內(nèi)核態(tài)下運行

內(nèi)核態(tài)程序可以訪問系統(tǒng)的所有資源，包括硬件設備、內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、所有進程的內(nèi)存空間等，并且可以執(zhí)行所有的 CPU 指令，包括那些在用戶態(tài)下被禁止執(zhí)行的特權(quán)指令，這些特權(quán)指令可以用于實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，如進程調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理等

由于內(nèi)核態(tài)程序具有最高的權(quán)限，一旦內(nèi)核態(tài)程序出現(xiàn)錯誤，可能會導致整個操作系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)嚴重的系統(tǒng)故障

（三）用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換

在操作系統(tǒng)的運行過程中，程序需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間進行切換，以完成不同的任務，常見的切換場景包括：

• 系統(tǒng)調(diào)用：當用戶態(tài)程序需要訪問系統(tǒng)資源或執(zhí)行特權(quán)操作時，會通過系統(tǒng)調(diào)用（如 open、read、write 等）請求操作系統(tǒng)內(nèi)核的服務，在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，程序會從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，由操作系統(tǒng)內(nèi)核來處理請求，處理完成后再切換回用戶態(tài)
• 中斷處理：當系統(tǒng)發(fā)生硬件中斷（如時鐘中斷、鍵盤中斷等）或軟件中斷（如異常、陷阱等）時，CPU 會自動從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，由操作系統(tǒng)內(nèi)核來處理中斷事件，處理完成后，根據(jù)情況決定是否切換回用戶態(tài)

但是操作系統(tǒng)是不相信用戶的，所以用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)進行切換的時候是操作系統(tǒng)完成的

（四）硬件條件

在 CPU 中有一個ecs寄存器，它的后兩個bit位就標記了當前是處于用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)，其中 00 表示處于內(nèi)核態(tài)，11 表示處于用戶態(tài)，int 80 指令本質(zhì)上就是將 11 修改成 00

二、再談進程地址空間

我們再來拿出我們的老圖，我們知道，每個進程都有一個PCB，然后PCB中有一個結(jié)構(gòu)體叫做mm_struct，又被稱為進程地址空間，就是我們常說的虛擬地址，虛擬地址通過頁表和MMU映射到物理內(nèi)存上，可以說頁表就是虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間的橋梁，每個進程都會有一個頁表，但是，這是對于用戶區(qū)空間來說的，我們的內(nèi)核空間，實際上也是有一個內(nèi)核頁表，這個內(nèi)核頁表是唯一的，內(nèi)核空間中的數(shù)據(jù)也是唯一的，我們不同的進程，它們用戶區(qū)空間的代碼和數(shù)據(jù)不同，但是內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)一定相同，所有進程共享一份內(nèi)核空間以及一份內(nèi)核頁表

對于進程來說，去調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口，就是在我自己的地址空間中執(zhí)行的，對于操作系統(tǒng)來說，任何一個時刻都有進程執(zhí)行，我們想執(zhí)行操作系統(tǒng)的代碼就可以隨時執(zhí)行

操作系統(tǒng)本質(zhì)

操作系統(tǒng)的本質(zhì)就是一個基于時鐘中斷的一個死循環(huán)，這里的時鐘中斷與STM32中的《TIM定時器》（學習STM32的可以點開看一下，沒有學習就算了，不影響理解）類似，都是每隔很短的時間向計算機發(fā)送時鐘中斷，操作系統(tǒng)在收到時鐘中斷后，就去中斷向量表中執(zhí)行相應的進程調(diào)度之類的方法

三、系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

sigaction用于設置或檢查信號處理行為的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact); 

返回值：成功返回0，失敗返回-1

signo：需要處理的信號編號

act：輸入型參數(shù)，指向struct sigaction結(jié)構(gòu)體，用于指定新的信號處理動作

oact：輸出型參數(shù)，指向struct sigaction結(jié)構(gòu)體，用于保存原來的信號處理動作

其中結(jié)構(gòu)體sigaction是這樣的

struct sigaction {
    void   (*sa_handler)(int); // 信號處理函數(shù)指針，或SIG_IGN（忽略信號）、SIG_DFL（使用默認處理）
    void   (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //另一種信號處理函數(shù)指針，用于處理帶附加信息的信號
    sigset_t sa_mask;           //在信號處理函數(shù)執(zhí)行期間需要阻塞的信號集
    int      sa_flags;          //控制信號處理行為的標志位
    void   (*sa_restorer)(void); //已棄用，通常設為 NULL
};

其中我們主要研究兩個成員：sa_handler，sa_mask

這里我們說一個結(jié)論，就是信號處理函數(shù)在處理信號時，是不再接受新的信號的，在該信號處理函數(shù)被調(diào)用時，在剛要調(diào)用的某個時間，內(nèi)核會自動將當前信號加入到進程的信號屏蔽字中，這就可以實現(xiàn)在處理某個信號的過程中，不會被這個信號反復打擾，如果這個信號再次產(chǎn)生，它會被阻塞到當前函數(shù)處理結(jié)束，如果在當前信號被阻塞以外，還想要屏蔽其他的一些信號，則動用sa_mask說明要額外屏蔽的信號

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

using namespace std;

void PrintPending()
{
    sigset_t set;
    //將當前被阻塞且處于未決狀態(tài)的信號集存儲到set信號集中（輸出型參數(shù)）
    sigpending(&set);
    //打印set位圖（即pending位圖）
    for (int signo = 31; signo >= 1; signo--)
    {
        if (sigismember(&set, signo))
            cout << "1";
        else
            cout << "0";
    }
    cout << endl;
}

void handler(int signo)
{
    //收到2號信號打印一句收到了，然后循環(huán)調(diào)用PrintPending
    cout << "catch a signal, signal number : " << signo << endl;
    while (true)
    {
        PrintPending();
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    //創(chuàng)建并初始化act和oact
    struct sigaction act, oact;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    memset(&oact, 0, sizeof(oact));
    //設置sa_mask為全0
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    //設置信號屏蔽
    sigaddset(&act.sa_mask, 1);
    sigaddset(&act.sa_mask, 3);
    sigaddset(&act.sa_mask, 4);
    //設置信號處理函數(shù)為handler
    act.sa_handler = handler; // SIG_IGN SIG_DFL
    //需要處理的就是2號信號
    sigaction(2, &act, &oact);

    while (true)
    {
        cout << "I am a process: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

正常情況下，我們沒有發(fā)送任何信號，1號信號會將進程終止，當我們發(fā)送2號信號，sigaction函數(shù)將信號捕捉后，我們進入到handler函數(shù)，開始打印全0的pending位圖，此時屬于信號處理函數(shù)處理信號的過程，然后我們發(fā)送1234號信號，因為134號信號我們提前設置進sa_mask當中了，所以我們在發(fā)送信號的時候?qū)谋忍匚痪蜁?置1，表示阻塞通過

四、其他補充內(nèi)容

1、可重入函數(shù)

這是一個正常的單鏈表，node1和node2是兩個待插入節(jié)點，其中，我們要頭插node1，其方法就是將next指針指向現(xiàn)在的頭節(jié)點，再將自己賦值給頭節(jié)點

insert(struct Node* node)
{
	node->next = head;
	head = node;
}

但是在node1->next = head;執(zhí)行完畢后，還沒來得及執(zhí)行head = p;突然來了一個信號，這個信號剛好被捕捉了，執(zhí)行自定義動作，剛好自定義動作是將node2頭插

void handler(int signo)
{
	insert(&node2);
}
insert(struct Node* node)
{
	node->next = head;
	head = node;
}

執(zhí)行完這個信號處理函數(shù)后再返回執(zhí)行main函數(shù)中的代碼

這樣一來我們實際上的代碼就變成了

node1->next = head;
node2->next = head;
head = &node2;
head = &node1;

這樣上面node1是頭插進去了，但是node2是不可能通過單鏈表的接口訪問到了，這個節(jié)點就丟失了，這樣就會導致內(nèi)存泄漏

如果一個函數(shù)像上面一樣被重復進入的情況下，出錯或者可能出錯，就叫做不可重入函數(shù)，否則就叫做可重入函數(shù)，我們學習到的大部分函數(shù)都是不可重入函數(shù)，因為只要是涉及指針改指向的問題，基本上都是不可重入的

2、volatile關(guān)鍵字

volatile是一個類型修飾符，用于告知編譯器它修飾的內(nèi)容拒絕優(yōu)化

該程序在收到2號信號之前一直在while循環(huán)中啥也不干，收到2號信號執(zhí)行handler打印，設置flag為1，然后繼續(xù)while判斷，從這里開始就變得不一樣了

我們可以看到我們編譯的方法加了-O1選項，這個叫做優(yōu)化，一共有-O0 -O1 -O2 -O3四種種優(yōu)化等級，其中O0是無優(yōu)化

這是加了volatile的關(guān)鍵詞產(chǎn)生的結(jié)果，按下ctrl+c打印執(zhí)行后，flag置1，while判斷繼續(xù)向后執(zhí)行，打印，程序結(jié)束

這是不加volatile的關(guān)鍵詞產(chǎn)生的結(jié)果，按下ctrl+c打印執(zhí)行后，flag置1，怎么不往下執(zhí)行了呢，我再次按下ctrl+c打印再次執(zhí)行

這里就是優(yōu)化的問題，優(yōu)化其實是CPU管理資源的一種方式，優(yōu)化后，CPU在第一次讀取flag的時候，將其加載到CPU寄存器中，handler結(jié)束后進行while的判斷時，直接判斷CPU上的這個flag，不再去物理內(nèi)存當中尋找，因為這樣的尋找是耗費資源的，加了volatile關(guān)鍵字后，不再產(chǎn)生優(yōu)化，在判斷時判斷的就是物理內(nèi)存中的flag值

所以，涉及到要隨時了解某些變量的狀態(tài)的時候，這些變量在優(yōu)化的時候最好用volatile修飾一下

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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