20201322陈俊池学习笔记9

第六章 信号与信号处理

本章概述

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。

6.1 信号和中断

中断：从I/O设备或协处理器发送到CPU的外部请求，它将CPU从正常执行转移 到中断处理。与发送给CPU的中断请求一样，“信号”是发送给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。

进程：一个“进程”就是一系列活动。广义的 “进程”包括：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。

“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。

根据来源，中断可分为三类：

• 来自硬件的中断：大楼着火，闹钟响了等。

• 来自其他人的中断：电话响了，有人敲门等。

• 自己造成的中断：切到手指，吃得太多等。

按照紧急程度，中断可分为以下几类：

• 不可屏蔽(NMI)：大楼着火！

• 可屏蔽：有人敲门等。

  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。

每个进程中断都被转换为一个唯一ID号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我们始终可限制在一个进程中的中断的数量。Unix/Linux中的进程中断称为信号，编号为1到31。进程的PROC结构体中有对应每个信号的动作函数，进程可在收到信号后执行该动作函数。与人员类似，进程也可屏蔽某些类型的信号，以推迟处理。必要时，进程还可能会修改信号动作函数。

硬件中断：

这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源：

• 来自硬件的中断：定时器、I/O设备等.

• 来自其他处理器的中断：FFP. DMA、多处理器系统中的其他CPU。

• 自己造成的中断：除以0、保护错误、INT指令。

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。我们会在后面学习到，进程可以用信号捕捉 器代替默认动作函数，允许它在用户模式下处理信号。如果在内核模式下发生陷阱，原因一定是硬件错误，或者很可能是内核代码中的漏洞，在这种情况下，内核无法处理。在Unix/Linux中，内核只打印一条PANIC错误消息，然后就停止了。希望在下一个内核版本中可以跟踪并修复这个问题。

6.2 Unix/Linux中的信号处理

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:

Ctr1+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，并唤醒等待键盘输人的进程。在内核模式下，每个进程都要检查和处理未完成的信号。进程对大多数信号的默认操作是调用内核的kexit(exitValue)函数来终止。在Linux中，exitValue的低位字节是导致进程终止的信号编号。

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。 obup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。当用户退出时，sh会向与终端有关的所有进程发送一个SIGHUP信号。后台进程在接收到这一信号后，会忽略它并继续运行。为防止后台进程使用终端进行I/O,后台进程通常会断开与终端的连接(通过将其文件描述符0、1、2重定向到/dev/null)，使其完全不受任何面向终端信号的影响。

3. 用户可以使用sh命令killpid(orkill-s9pia)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。

6.3 Unix/Linux中的信号处理

6.3.1 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
#define SIGQUIT
#define SIGILL #define SIGTRAP
#define SIGABRT #define SIGIOT
#define SIGBUS
#define SIGFPE
#define SIGKILL
#define SIGUSR1
#define SIGSEGV
#define SIGUSR2
#define SIGPIPE #define SIGALRM
#define SIGTERM
#define SIGSTKFLT
#define SIGCHLD
#define SIGCONT
#define SIGSTOP
#define SIGTSTP
#define SIGTTIN
#define SIGTTOU
#define SIGURG
#define SIGXCPU
#define SIGXFSZ
#define SIGVTALRM
#define SIGPROF
#define SIGWINCH
#define SIGPOLL
#define SIGPWR
#define SIGSYS

6.3.2 信号的来源

• 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，当他的时间到期时，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陷进。

• 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时SIGSEGV（11），表示段错误。

• 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。

6.3.3 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，它还有一个信号MASK位向量，用来屏蔽相应的 信号。可使用一系列系统调用，如sigmasks sigsetmask, siggetmask. sigblock等设置、清 除和检查MASK位向量。待处理信号只在未被屏蔽的情况下才有效。这样可以让进程延迟 处理被屏蔽的信号，类似于CPU屏蔽某些中断。

6.3.4 信号处理函数

每个进程PROC都有一个信号处理数组int sig[32]o 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。图6.1给岀了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。

二、实践内容与截图

代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<signal.h> 
#include<setjmp.h>
#include<string.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) // let it occur up to 4 times
        longjmp(env, 1234);
}
int BAD()
{
int *ip = 0;
printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
*ip = 123;  // dereference a NULL pointer
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",getpid());
while(1);
}

截图：