Linux進程信號的捕捉處理方式
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,在信號遞達時就調用這個函數,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)調用等原因會進入內核,然后內核處理完成后發(fā)送信號,如果信號的處理動作是自定義的信號處理函數就回到用戶區(qū)執(zhí)行信號處理函數,執(zhí)行完之后因為信號處理函數的特殊性,它要再次進入內核區(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(用戶身份和內核身份)切換工作,用戶態(tài)陷入內核態(tài)是通過匯編指令int 80
完成的
在進程從內核態(tài)返回用戶態(tài)時進行信號的檢測和處理
并且main函數和自定義信號捕捉處理函數使用不同的堆棧空間,它們之間不存在調用和被調用的關系
2、用戶態(tài)和內核態(tài)的區(qū)別
用戶態(tài)和內核態(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)內核的數據結構等,并且只能執(zhí)行一部分指令,一些具有高風險或對系統(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,即使程序出現錯誤(如內存越界、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)內核態(tài)
內核態(tài)是操作系統(tǒng)內核運行的模式,具有最高的特權級別,操作系統(tǒng)內核負責管理系統(tǒng)的核心資源,如內存、進程、文件系統(tǒng)、設備驅動等,因此需要在高特權的內核態(tài)下運行
內核態(tài)程序可以訪問系統(tǒng)的所有資源,包括硬件設備、內核數據結構、所有進程的內存空間等,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系統(tǒng)的關鍵功能,如進程調度、內存管理、中斷處理等
由于內核態(tài)程序具有最高的權限,一旦內核態(tài)程序出現錯誤,可能會導致整個操作系統(tǒng)崩潰或出現嚴重的系統(tǒng)故障
(三)用戶態(tài)與內核態(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)調用(如
open
、read
、write
等)請求操作系統(tǒng)內核的服務,在執(zhí)行系統(tǒng)調用時,程序會從用戶態(tài)切換到內核態(tài),由操作系統(tǒng)內核來處理請求,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)切換到內核態(tài),由操作系統(tǒng)內核來處理中斷事件,處理完成后,根據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)還是內核態(tài),其中 00 表示處于內核態(tài),11 表示處于用戶態(tài),int 80
指令本質上就是將 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映射到物理內存上,可以說頁表就是虛擬內存和物理內存之間的橋梁,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,我們的內核空間,實際上也是有一個內核頁表,這個內核頁表是唯一的,內核空間中的數據也是唯一的,我們不同的進程,它們用戶區(qū)空間的代碼和數據不同,但是內核空間的數據一定相同,所有進程共享一份內核空間以及一份內核頁表
對于進程來說,去調用系統(tǒng)調用接口,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
操作系統(tǒng)的本質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)行相應的進程調度之類的方法
三、系統(tǒng)調用函數
sigaction
用于設置或檢查信號處理行為的系統(tǒng)調用函數
#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,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,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,就是信號處理函數在處理信號時,是不再接受新的信號的,在該信號處理函數被調用時,在剛要調用的某個時間,內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生,它會被阻塞到當前函數處理結束,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) 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
函數將信號捕捉后,我們進入到handler
函數,開始打印全0的pending
位圖,此時屬于信號處理函數處理信號的過程,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)送信號的時候對應的比特位就會由0置1,表示阻塞通過
四、其他補充內容
1、可重入函數
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后再返回執(zhí)行main
函數中的代碼
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,這樣就會導致內存泄漏
如果一個函數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,否則就叫做可重入函數,我們學習到的大部分函數都是不可重入函數,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,不再產生優(yōu)化,在判斷時判斷的就是物理內存中的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
以上為個人經驗,希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持腳本之家。
相關文章
inotify-tools+rsync實時同步文件的配置方法
我使用的是google的inotify-tools,比較簡單.國內有功能很強大的類似的程序,但是好復雜.2013-02-02解析linux或android添加文件系統(tǒng)的屬性接口的方法
這篇文章主要介紹了linux或android添加文件系統(tǒng)的屬性接口的方法,本文給大家介紹的非常詳細,對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值,需要的朋友可以參考下2020-03-03