【Linux】信号的保存

对于信号，主要涉及到信号的产生、保存和捕获，之前谈到了信号的产生，这里主要介绍信号产生后如何进行保存和捕捉处理的原理。

一、信号的保存

1.阻塞信号

相关概念

实际执行处理信号的动作称为信号递达Delivery
信号从产生到递达的过程称为信号未决Pending
进程可以阻塞、忽略某个信号。
被阻塞就只有产生和未决，忽略是在递达后的处理。

2.内核结构

之前讲过OS发送信号给进行，会在进程PCB表上的位图标记 0-》1，并回调函数指针的方法。

实际上，内核会位PCB的信号维护三张表Block(阻塞表)、Pending(未决)、handler(函数指针数组)

说明：

Pending表就是标记我们之前谈到的位图，0/1标记某一位是否收到信号。
Block表也是位图，代表某一信号是否被阻塞，对特定的信号进行屏蔽。
Handler表是函数指针数组，内容：0 表示默认 1是忽略，还有用户自定回调函数。

描述这一过程：
在信号没有创建之前，Block表中的某一位先会被设置位0和1，标记是否被阻塞。

信号产生时，会在进程控制块的Pengding表中将对应信号位的0-》1。

再校验Block表，如果表上的比特位是1 ，代表被阻塞，将不会递达。直到阻塞被解除。

总结：

进程task_struct中会维护三张表。三张表共同维护信号的识别。

信号的阻塞，不会影响产生。

一个信号没有被递达，并且接收到多次，pending表会默认最后一次发送的信号。

信号的捕捉

信号在什么时候被处理？

进程从内核态到用户态的时候，进行信号的检测和处理。

用户态是一种受控的状态，能访问的资源是有限的。

内核态是OS的一种工作状态，能访问到大部分资源。

系统调用必定发生身份从用户态到内核态的转变，因为我们无法通过用户态进行系统调用，

系统调用是比较费时间的，要避免频繁的系统调用。

用户态和内核态

如何对用户态和内核态进行区分？

在CPU上有一个CR3寄存器，是一个2比特位的。00 01 10 11

1表示内核，3表示用户态

进程如何调用系统调用接口？

用户态只能访问自己的【0，3】GB的内存空间。

内核态能让用户以OS的身份访问【3，4】GB。

进程需要被加载到内存中，OS需要维护进程PCB。实际上我们平时说的页表是【0，3】GB的用户级别页表。每一份进程都需要维护一张

而【3，4】GB有对应的内核级页表。因为内核级的内容不会被用户身份访问，所以只需要维护一张内核级页表，这个页表将给CS寄存器保存。

故如果进程需要调用系统调用，就像我们平常调用库函数一样，就是在进程地址空间中跳跃。

先在CR3寄存器中切换身份，然后通过寄存器CS找到内核级页表，就能找到对应的内核内容。

内核如何实现捕捉

进程的信号在合适的时候被处理，从内核转到用户级，先检测再处理。

描述这一过程

CPU执行用户代码时，会先以用户态执行，遇到系统调用接口时，会切换身份调用系统调用。执行完成后到进程的PCB内查看信号列表，如果pending表全为0，或者pending为 1 block为 1阻塞也直接返回。
如果pending为1，block为0，且handler存在自定义的方法，则会将内核态切换为用户态，调用用户的方法。（这一切换是为了防止内内容被用户破坏）。执行完毕后会现在内核态检测信号的位置，通过特定系统调用返回。

注意：
在信号调用handler方法时，就会将pending表上的1-》0

如果处理完毕后，pending表上还有信号没被处理，则会执行handler方法。

抽象图帮助记忆

一共会经过四次身份切换，只有在第一次身份切换时，才进行信号的检测与处理！

信号操作函数

sigset_t

是位图类型

它在Linux下的定义

#define _SIGSET_NWORDS (1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))
typedef struct
{
	unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];
} __sigset_t;
 
typedef __sigset_t sigset_t;

对于panding表，0表示没接收到信号，1表示接收到信号
对于block表，0表示信号没有被阻塞，1表示信号被阻塞

sigset_t函数

因为sigset_t 是位图，它的每一位比特位可以表示pending表和block表的内容，因此我们可以通过逻辑关系的方法修改比特位的内容，但是这样过于繁琐。就由下面这些函数操作位图。

#include <signal.h>
 
int sigemptyset(sigset_t *set);
 
int sigfillset(sigset_t *set);
 
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
 
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
 
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

sigemptyset函数：将位图表设置为全0，（清0）
sigfillset函数：将位图上的所有比特位置为有效信号（置位）
sigaddset函数：将signo的信号置为有效信号
sigdelset函数：将signo信号置零
sigisemember函数：判断signo信号是否在位图中。

注意：
sigset_t 创建后，需要初始化（置位/清零）

我们操作的表与进程中的表没有关系。需要继续调用系统调用写入。

sigprocmask

sigprocmask函数可以用于读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集），该函数原型如下：

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);

一般而言，阻塞和未决表在进行修改时，都会保存上一张表

参数说明：

oset不为空时，读取当前进程的阻塞表输出到oset表中
set不为空时，依旧how和set更改当前的阻塞表
set和oset都不为空时，会保存旧表更改阻塞表

how参函数

想要如何操作信号屏蔽字，此参数有三个可选值：

1.SIG_BLOCK：就是把对应信号的bit位改为1，即就是阻塞该信号
2.SIG_UNBLOCK:就是把对应信号的bit位改为0，即就是使该信号不阻塞
3.SIG_SETMASK:设置当前信号屏蔽字为set所指向的值

返回值：

调用成功返回0，失败返回-1

sigpending函数

       #include <signal.h>

       int sigpending(sigset_t *set);

操作pending表，读取当前进程的pending表，通过set返回

成功返回0，失败返回-1

下面是举例运用

使用sigprocmask函数阻塞2号信号和40号信号

要求：阻塞2号信号和40号信号，分别给进程发送5次2号信号和5次40号信号，观察结果

 1 #include <iostream>
  2 #include <sys/types.h>
  3 #include <unistd.h>
  4 #include <signal.h>
  5 
  6 
  7 void pendingPrin(sigset_t* s)
  8 {
  9   for(int i=31;i>0;i--)
 10   {
 11     if(sigismember(s,i))
 12     {
 13       std:: cout<<1;
 14     }
 15     else std::cout<<0;
 16   }
 17   std::cout<<std::endl;
 18   std::cout<<"----------------------------------------------"<<std::endl;
 19 }
 20 
 21 
 22 void handler(int signo)
 23 {
 24   std::cout<<"get a signo: "<<signo<<std::endl;
 25 }
 26 
 27 int main()
 28 {
 29   std::cout<<"my pid is: "<<getpid()<<std::endl;
 30   //自定义处理2信号和40信号
 31   signal(2,handler);
 32   signal(40,handler);
 33   sigset_t set,s;
 34   sigemptyset(&set);
 35   sigaddset(&set,2);
 36   sigaddset(&set,40);
 37   sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,nullptr);
 38 
 39   while(true)
 40   {
 41     sigpending(&s);
 42     std::cout<<"pending: ";
 43     pendingPrin(&s);
 44     std::cout<<"  block: ";
 45     pendingPrin(&set);
 46     sleep(3);
 47   }
 48   return 0;
 49 }                                                                                                                 
~

sigaction

捕捉信号，除了之前谈到的signal之外，sigaction对特定信号捕捉。

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

参数说明：

signum:要捕捉的信号编号
act：不为空，则为用户自定行为。
oldact：导出原信号的处理行为。

act和oldact都是sigacgtion类型的结构体，定义如下

struct sigaction {
	void(*sa_handler)(int);
	void(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
	sigset_t   sa_mask;
	int        sa_flags;
	void(*sa_restorer)(void);
};

第一个参数：sa_handler

是一个函数指针 SIG_IGN是，忽略处理, SIG_DEF是默认处理，handler自定义处理。

第二个参数：sa_sigaction

实时信号的处理函数。

第三个参数是：sa_mask

是阻塞信号集，就和之前谈到的阻塞位图一致‘

选项sa_flags

通常设为0

举例使用

  1 #include<iostream>
  2 #include <signal.h>
  3 #include <sys/types.h>
  4 #include <unistd.h>
  5 
  6 void handler(int signo)
  7 {
  8   std::cout<<"get a signo: "<<signo<<std::endl;
  9 }
 10 
 11 
 12 int main()
 13 {
 14   std::cout<<"get a pid"<<getpid()<<std::endl;
 15   struct sigaction ac,oac;
 16   ac.sa_handler=handler;
 17   ac.sa_flags=0;
 18   sigemptyset(&ac.sa_mask);
 19   sigaction(2,&ac,&oac);
 20   while(true)
 21   {
 22     std::cout<<"main running ..."<<std::endl;
 23     sleep(2);                                                                                                     
 24   }
 25   return 0;
 26 }
~