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Linux進程信號的捕捉處理方式

 更新時間:2025年04月29日 10:15:03   作者:s_little_monster_  
這篇文章主要介紹了Linux進程信號的捕捉處理方式,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

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)結構等,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)結構、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)行的特權指令,這些特權指令可以用于實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵功能,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中有一個結構體叫做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結構體,用于指定新的信號處理動作

oact:輸出型參數(shù),指向struct sigaction結構體,用于保存原來的信號處理動作

其中結構體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,node1node2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的關鍵詞產(chǎn)生的結果,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,程序結束

這是不加volatile的關鍵詞產(chǎn)生的結果,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

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

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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