[Linux] 信号保存与处理

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信号的保存

下面的概念务必记住

实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。
进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。
被阻塞的信号产生时将保持在未决状态,直到进程解除对此信号的阻塞,才执行递达的动作.
阻塞和忽略是不同的,只要信号被阻塞就不会递达,而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

信号的内核描述

如图所示，我们的task_struct中保存了三张表，block表，pend表，handler表

pending表

它本质就是一个位图

handler表

它本质就是一个函数指针数组

 typedef void (*sighandler_t)(int);

我们之前通过signal函数给指定信号设置自定义方法，本质就是把signal函数的sighandler参数写入handler表，所以我们signal调用一次，就可以永久修改一个进程的信号处理方法

block表

它本质也是一个位图

被阻塞的信号，即是被写入pending表，也不会被处理，直到阻塞被解除才会去处理它

有了这三张表，我们就可以直到一个信号有没有被传进来，他有没有被阻塞，如果没被阻塞那他又该如何处理，如此一来我们的进程就可以识别信号了，而三张表的实现，当然是当初写OS的程序员通过代码实现的，因此我们说进程认识信号，是程序员内置的结果。

内核数据结构

我们需要先了解一些类型，如下所示，不懂的看注释

struct task_struct {
struct sighand_struct *sighand;//hand表
sigset_t blocked//block表
struct sigpending pending;//pend表
...
}

先看hand表的结构体类型

struct sighand_struct {
atomic_t count;
struct k_sigaction action[_NSIG]; //  _NSIG是个宏，为64
spinlock_t siglock;
};
//上面的结构体中包含了K_sigaction这个结构体，它的定义就在下面
struct k_sigaction {
struct __new_sigaction sa;
void __user *ka_restorer;
};
//上面的结构体中包含了__new_sigaction这个结构体，它的定义就在下面
struct __new_sigaction {
__sighandler_t sa_handler;
unsigned long sa_flags;
void (*sa_restorer)(void); /* Not used by Linux/SPARC */
__new_sigset_t sa_mask;
};
//上面的结构体中包含了__sighandler_t这个类型，它的定义就在下面
typedef void (*__sighandler_t)(int);//即函数指针

再看pend表

struct sigpending {
struct list_head list;//表示这是个链表结构
sigset_t signal;//它的重点是这个sigset_t类型
};

显然，pend表的内容是sigset_t类型的变量存储的，block表也是，sigset_t被称为信号集,这个类型定义如下

typedef struct
{
  unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];
} __sigset_t;//注意这前面有两个下划线


typedef __sigset_t sigset_t;//这次typedef后，前面没有下划线了

这个sigset_t类型本质就是个unsigned long类型的数组，这个数组就是用来当位图用的

OS还很贴心的准备了一组接口用于操作该类型的变量

#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：使信号集set中的所有比特位变为0
sigfillset：使信号集set中的所有比特位变为1
sigaddset：使信号集set的第signum位变为1
sigdelset：使信号集set的第signum位变为0
sigismember：检测信号集set的第signum位是0还是1

在使用sigset_ t类型的变量前,⼀定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化,使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
这四个函数都是成功返回0,出错返回-1。
sigismember是⼀个布尔函数,用于判断⼀个信号集的有效信号中是否包含某种信号,若包含则返回1,不包含则返回0,出错返回-1。

sigprocmask

调⽤函数 sigprocmask 可以读取或更改进程的block表。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
返回值:若成功则为0,若出错则为-1

how参数
- 这个参数决定了如何修改信号屏蔽字，它有以下几种取值：
  - SIG_BLOCK：将set参数所指向的信号集添加到当前信号屏蔽字中。
  - SIG_UNBLOCK：从当前信号屏蔽字中移除set参数所指向的信号集中的信号。
  - SIG_SETMASK：将当前信号屏蔽字设置为set参数所指向的信号集。这会完全替换当前的信号屏蔽状态。
set参数
- 这是一个指向sigset_t类型的信号集的指针。
oldset参数
- 这是一个指向sigset_t类型信号集的指针，用于保存本次修改前的信号屏蔽字状态。如果不需要保存旧状态，可以将此参数设置为NULL。

9号信号（SIGKIILL）和19号信号（SIGSTOP）不能block

sigpending

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。
调⽤成功则返回0,出错则返回-1

为什么有可以修改block表的函数，但是没有修改pend表的函数

因为不需要，我们上节课学习的信号产生的方式都是在修改pend，有他们就够了

实操函数

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<sys/types.h>

int main(){
    //对二号信号进行屏蔽
    sigset_t ne;
    sigset_t old;
    sigemptyset(&ne);
    sigemptyset(&old);
    sigaddset(&ne,2);//此时还没有把2号加到内核的block中，只是放到了栈上的ne中了
    sigprocmask(SIG_BLOCK,&ne,&old);//现在加到内核了
    int n=7;
    while(true){
        n--;
        if(n==0)
        sigprocmask(SIG_SETMASK,&old,nullptr);
        sigset_t pe;
        sigemptyset(&pe);
        sigpending(&pe);
        for(int i=31;i;i--)
        std::cout<<sigismember(&pe,i);
        std::cout<<std::endl;
        sleep(1);
    }

}

我们输入ctrl+c即二号命令，但是进程没有立即终止，是因为我们把二号信号写进block表了

7秒之后，block表置零，二号信号不再被block于是被处理了，所以进程终止。

硬件中断

外设资源是否准备好，不能让OS去轮询检测，因为外设非常多，效率会很低，太浪费资源了，这里采用的解决方案就是硬件中断。

硬件中断是指由计算机硬件设备（如键盘、鼠标、硬盘、网卡等）发出的信号，用于通知 CPU暂停当前正在执行的程序，转而处理与该硬件设备相关的特定事件。这使得 CPU 能够及时响应硬件设备的请求或状态变化，从而实现设备与 CPU 之间的高效交互。这些东西的具体实现是依靠硬件电路实现的，我们不用管。

但是外设实在是太多了，所以不能直接连接到cpu的针脚上，于是就设计了一个中断控制器来负责连接他们，每个设备都被编好了中断号，中断控制器通过中断号知晓是哪个设备发来的中断，然后会把该信息发给CPU。CPU会告知OS，OS会根据中断号去中断向量表执行对应的方法（例如去键盘获取信息）。

这里的通知CPU就是其实向着CPU的特定针脚发送高电平信号

程序员在写OS时，就提前给每一种设备准备好处理中断的方案，这些方案本质就是函数，他们汇聚在一起就是一个中断向量表，我们把它当作一个函数指针数组即可。访问该数组元素的下标就是中断号。

当然，如果硬件中断信息告知给CPU时，CPU要开始执行中断处理方法，就不能继续跑之前的进程，为了保证之后还能正常运行它，需要进行CPU现场保护

CPU 现场保护是指在计算机系统发生中断或异常情况时，CPU 暂停当前正在执行的程序，为了能够在后续恢复该程序的执行，将当前程序执行的状态信息进行保存的过程。这些信息包括程序计数器（PC）的值、通用寄存器的内容、状态寄存器（也称为程序状态字 PSW）的内容等。这个和进程切换时的上下文数据保存有些像，但请注意这俩不是一个东西。