20201306吴龙灿第六章学习笔记

Ⅰ知识点归纳

前言

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。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。

信号和中断

“中断”是从I/O设备或协处理器发送到CPU的外部请求，他将CPU从正常执行转移到中断处理。
简单总结：中断即CPU停下当前的工作任务，去处理其他事情，处理完后回来继续执行刚才的任务。
首先，我们将进程的概念概括为：一个"进程"（引号中）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。
根据来源 中断可分为三类

人员中断:

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、1/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О、保护错误、INT指令。
每个中断都有唯一的中断向量号。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。

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。

Unix/Linux中的信号处理

Unix/Linux支持31种不同的信号

#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

信号的来源

来自硬件中断的信号：在进程执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程。
来自异常的信号：当用户模式下的进程遇到异常时，会陷入内核模式，生成一个信号，并发送给自己。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是SIGSEGV（11），表示段错误，等等。
来自其他进程的信号：进程可使用kil（pid，sig）系统调用向 pid标识的目标进程发送信号。读者可以尝试以下实验。

信号处理函数

每个进程PROC 都有一个信号处理数组 int sig[32]。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。下图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。

信号处理步骤

（1）当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为 DEFault。然后，它会在用户模式下返回，以执行捕捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。
（2）重置用户安装的信号捕捉函数：用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix 内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为 DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。
（3）信号和唤醒：在Unix/Linux，内核中有两种 SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP 状态，到达的信号（必须来自硬件中断或其他进程）不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。

Ⅱ问题与解决思路

问题

中断的处理过程是如何进行的？

解决思路

中断处理过程
（1）CPU检查响应中断的条件是否满足。CPU响应中断的条件是：有来自于中断源的中断请求、CPU允许中断。
（2）如果CPU响应中断，则CPU关中断，使其进入不可再次响应中断的状态。
（3）保存被中断进程现场。
（4）分析中断原因，调用中断处理子程序。在多个中断请求同时发生时，处理优先级最高的中断源发出的中断请求。
（5）执行中断处理子程序。对陷阱来说，在有些系统中则是通过陷阱指令向当前执行进程发出软中断信号后调用对应的处理子程序执行。
（6）退出中断，恢复被中断进程的现场或调度新进程占据处理器。
（7）开中断，CPU继续执行。

Ⅲ实践内容与截图

捕捉除0异常信号

“head.h”
#ifndef HEAD_H_INCLUDED
#define HEAD_H_INCLUDED
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
jmp_buf env;
int count = 0;
#endif // HEAD_H_INCLUDED
“main.c”
#include "head.h"
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)
    {
        longjmp(env,20191323);
    }
}

int BAD()
{
    int i = 3;
    printf("in BAD(): try to divide zero\n");
    i /= 0;
    printf("could not see this line");
}
int main(void)
{
    int  r;
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = &handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigaction(SIGFPE, &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);

}