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上一篇博客所说的信号产生#xff0c;最终都要有OS来进行执行#xff0c;为什么#xff1f;OS是进程的管理者#xff01;信号的处理是否是立即处理的#xff1f;在合适的时候 -》那什么是合适的时候#xff1f;信号如图不是被立即处理…前言对信号产生的思考
上一篇博客所说的信号产生最终都要有OS来进行执行为什么OS是进程的管理者信号的处理是否是立即处理的在合适的时候 -》那什么是合适的时候信号如图不是被立即处理那么信号是否需要暂时被进程记录下来记录在哪里最合适呢一个进程没有接收到信号的时候能否知道自己应该对合法信号做处理呢他又是如何知道的呢如何理解OS向进程发送信号能否描述一下完整的发送过程
以上的问题将在本篇博客得到解释 1 阻塞信号
1.1 相关概念
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.注意,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。
1.2 内核中的表示 【结构分析】
每个进程都有两个标志位分别是阻塞block和未决pending还有一个函数指针指向信号处理的函数。block和pending是一种位图结构handler是一个函数指针数组当函数产生后内核在进程控制块中把pending被设为1只有等函数递达执行函数开始pending才变回0。 SIGHUP信号未产生过。SIGINT信号产生过,但正在被阻塞,所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略,但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号,因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。SIGQUIT信号还未产生但是已经提前被阻塞产生后会立刻进入阻塞状态。如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次,将如何处理?POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的:常规信号在递达之前产生多次只计一次,而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。本章不讨论实时信号。
sigset_t类型
从上图来看,每个信号只有一个bit的未决标志,非0即1,不记录该信号产生了多少次,阻塞标志也是这样表示的。因此,未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储,sigset_t称为信号集,这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态,在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞,而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。
1.3 信号集操作函数
用户层调用函数
sigset_t每一位都代表一个信号的“有效”或“无效”状态至于sigset_t内部是如何存储这些数据的我们不需要关心是由操作系统去维护的。所以我们想要操作sigset_t变量要通过下面的这些函数而不应该对内部数据有任何操作因为这是没有意义的。 #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); sigemptyset和sigfillset为初始化函数初始化set所指向的信号集。sigempty将所有bit位清零sigfillset将所有bit位置1。在使用sigset_t类型的变量前必须要对它进行初始化使信号集处在确定状态。在对sigset_t类型的变量初始化后可以用sigaddset或sigdelste对信号集进行有效信号的增加和删除。这四个函数都是成功返回1失败返回0。 int sigismemberconst sigset_t *set, int signo); sigismember是一个bool函数用来判断某个信号集中是否包含某个有效信号包含返回1不包含返回0。
系统调用
我们上面定义的sigset_t类型变量是在栈中的本质上是在用户层没有进操作系统。我们对它的操作仅仅是改变这个变量的值并不会影响进程的任何行为。我们想借助sigset_t类型变量影响系统和进程需要调用下面的接口。
sigprocmask函数 #include signal.h原型int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset); 功能来读取或更改进程的阻塞信号集。返回值: 若成功则为0,若出错则为-1 参数说明如果oset是非空指针,则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针,则 更改进程的信号屏蔽字,参数how指示如何更改。假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值。 如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞,则在sigprocmask返回前,至少将其中一个信号递达。
sigpending函数 #include signal.h 原型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。 下面我们写一个进程来完成以下操作
将信号2阻塞发送信号2十秒后解除信号2阻塞每隔一秒打印一次未决信号集
#include iostreamusing namespace std;#include cassert#include unistd.h
#include signal.hvoid PrintPending()
{sigset_t pd;int ret sigpending(pd);assert(ret 0);(void)ret;for (int signo 1; signo 31; signo){if (sigismember(pd, signo))cout 1;elsecout 0;}cout endl;
}void sighandler(int signo)
{cout 捕捉到 signo endl;
}int main()
{// 捕捉信号2signal(2, sighandler);// 1. 将信号2阻塞sigset_t set, oset;// 初始化sigemptyset(set);sigemptyset(oset);sigaddset(set, 2); // 设置2信号bit位为1// 设置到进程中sigprocmask(SIG_SETMASK, set, oset);cout 设置信号2的阻塞 endl;int cnt 0;while (true){// 获取pending的信号集PrintPending();sleep(1);if (cnt 10){sigprocmask(SIG_SETMASK, oset, set);cout 解除信号2的阻塞 endl;}}return 0;
} 程序运行时,每秒钟把各信号的未决状态打印一遍,由于我们阻塞了SIGINT信号,按Ctrl-C将会 使SIGINT信号处于未决状态,按Ctrl-\仍然可以终止程序,因为SIGQUIT信号没有阻塞。
2 捕捉信号处理信号
信号处理的时间有两种
立即处理等待到合适的时间在进行处理
是什么时候是立即处理呢如果一个信号之前是被block的当它解除阻塞之后就会被立即处理对应的信号就会被立即送达
为什么要等到合适的时间才处理呢答因为信号的产生是异步的可能信号产生的时候进程正在坐着重要的事情
那是什么时候是合适的时间呢答当进程从内核态切回用户态的时候进程会在OS指导下进行信号的检查和处理 --》疑问什么是内核态什么是用户态
2.1 用户态和内核态
【用户态和内核态概念】
用户态执行用户自己的代码系统所处的状态叫做用户态。用户态是一种受监管的普通状态。
内核态有时候我们写的代码中调用了系统接口本质上就是调用了内核级的代码这时候就需要内核态权限。内核态通常用来执行os代码是一种权限非常高的状态。
【用户态与内核态切换场景】
用户态-内核态系统调用时间片到了导致进程切换异常中断陷阱这些情况会切换到内核态。
内核态-用户态系统调用进程切换异常中断陷阱处理完毕后会切换回用户态。 【剖析切换的过程】
在用户态时访问用户的代码和数据切换到内核态后比如调用系统接口后往往会执行操作系统内核中的代码。那么进程是怎么找到操作系统的呢首先要明确一个概念操作系统也是一款软件既然是软件运行的时候就会被加载到内存中。每个进程都有一张地址空间表这张表下半部分为用户区通过用户页表映射找到内存中用户的代码和数据。上方为内核空间保存了内核的虚拟地址可以通过内核页表映射找到内存中操作系统内核的代码和数据。 进程无论如何切换都能看到操作系统但不一定能访问只有处在内核态时才能够访问。那么处于内核态还是用户态的标志是什么呢我们知道代码是加载到cpu中进行运算的在cpu中有一个cr3寄存器里面记录了是否此时的状态是用户态3还是内核态0。同时cpu中还有寄存器记录着用户页表和内核页表的值当在某种状态下访问越界cpu可以检索到。 2.2 捕捉并处理信号过程分析 信号递达时处理的动作为用户自己定义的函数,这称为捕捉信号。
通过前文的学习我们知道进程在收到信号后不一定是立刻处理的而是等到适合的时候。那么什么是适合的时候呢答案系统从用户态切到内核态后。
假设用户程序注册了信号2的处理函数sighandler。下面我来阐述捕获进程信号的过程
当前正在运行main函数为用户态此时发生了系统调用时间片到了导致进程切换异常中断陷阱切换到内核态。当中断处理完毕后在返回用户态的main函数前要检查是否有信号未决假设收到了信号2则先进入信号2的处理函数sighandler由于sighandler是用户程序定义的所以要切换到用户态。等sighandler函数执行完毕后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达这次返回用户态进入main函数中继续执行上下文。
思考一个问题在内核态是否能调用用户的代码和数据呢
理论上以内核的权限是可以的但实际上并不能这么做因为操作系统不信任任何人它担心用户会越权执行一些非法操作。 2.3 系统调用函数 sigaction #include signal.h原型int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact); 功能sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。 返回值调用成功则返回0,出错则返回- 1。 参数signo是指定信号的编号。若act指针非空,则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空,则通过oact传出该信号原来的处理动作。 act和oact指向sigaction结构体: sa_handler将sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号,赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作,赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号,或者说向内核注册了一个信号处理函 数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然,这也是一个回调函数,不是被main函数调用,而是被系统所调用。
sa_mask当某个信号的处理函数被调用时,内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字,这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。 如果在调用信号处理函数时,除了当前信号被自动屏蔽之外,还希望自动屏蔽另外一些信号,则用sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号,当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。
sa_flags字段包含一些选项,本章的代码都把sa_flags设为0
sa_sigaction是实时信号的处理函数,本章不详细解释这两个字段,有兴趣的同学可以在了解一下。 【测试代码】 void PrintPending()
{sigset_t pd;int ret sigpending(pd);assert(ret 0);(void)ret;for (int signo 1; signo 31; signo){if (sigismember(pd, signo))cout 1;elsecout 0;}cout endl;
}void sighandler(int signo)
{cout 捕捉到 signo endl;int cnt 5;while (cnt--){PrintPending();sleep(1);}
}int main()
{struct sigaction act, oact;memset(act, 0, sizeof(act));memset(oact, 0, sizeof(oact));act.sa_handler sighandler;sigaddset(act.sa_mask, 3);sigaction(2, act, oact);while (true){PrintPending();sleep(1);}return 0;
}
