Linux 0.11-信号-48

Posted 2022-12-10 热爱编程的大忽悠

Linux 0.11-信号-48

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信号

新建一个非常简单的 info.txt 文件。

name:flash
age:28
language:java

在命令行输入一条十分简单的命令。

[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
3

这条命令的意思是读取刚刚的 info.txt 文件，输出它的行数。

通过上两回的讲解，即 第46回 | 读硬盘数据全流程 和 第47回 | 读取硬盘数据的细节，我们知道了应用程序发起 read 最终读取到硬盘数据的全部细节。

再配合上 42 到 45 回的内容，我们解释清楚了从键盘输入，到 shell 程序最终解释执行你输入的命令的全过程。

我们继续往下进行，如果在你的程序正在被 shell 程序执行时，你按下了键盘中的 CTRL+C，你的程序就被迫终止，并再次返回到了 shell 等待用户输入命令的状态。

[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
...(这里假设程序要执行很长时间，此时按下ctrl+c)
^C
[root@linux0.11]

我们今天就来解释这个过程。

当你按下 CTRL+C 时。

根据 第42回 | 用键盘输入一条命令 所讲述的内容，键盘中断处理函数自然会走到处理字符的 copy_to_cooked 函数里。

#define INTMASK (1<<(SIGINT-1))
// kernel/chr_drv/tty_io.c
void copy_to_cooked (struct tty_struct *tty) 
    ...
    if (c == INTR_CHAR (tty)) 
        tty_intr (tty, INTMASK);
        continue;
    
    ...

这个函数里有一段上述代码，翻译起来特别简单，就是当 INTR_CHAR 发现字符为中断字符时（其实就是 CTRL+C），就调用 tty_intr 给进程发送信号。

tty_intr 函数很简单，就是给所有组号等于 tty 组号的进程，发送信号。

// kernel/chr_drv/tty_io.c
void tty_intr (struct tty_struct *tty, int mask) 
    int i;
    ...
    for (i = 0; i < NR_TASKS; i++) 
        if (task[i] && task[i]->pgrp == tty->pgrp) 
            task[i]->signal |= mask;
        
    

而如何发送信号，在这段源码中也揭秘了，其实就是给进程 task_struct 结构中的 signal 的相应位置 1 而已。

发送什么信号，在上面的宏定义中也可以看出，就是 SIGINT 信号。

SIGINT 就是个数字，它是几呢？它就定义在 signal.h 这个头文件里。

// signal.h
#define SIGHUP  1       /* hangup */
#define SIGINT  2       /* interrupt */
#define SIGQUIT 3       /* quit */
#define SIGILL  4       /* illegal instruction (not reset when caught) */
#define SIGTRAP 5       /* trace trap (not reset when caught) */
#define SIGABRT 6       /* abort() */
#define SIGPOLL 7       /* pollable event ([XSR] generated, not supported) */
#define SIGIOT  SIGABRT /* compatibility */
#define SIGEMT  7       /* EMT instruction */
#define SIGFPE  8       /* floating point exception */
#define SIGKILL 9       /* kill (cannot be caught or ignored) */
#define SIGBUS  10      /* bus error */
#define SIGSEGV 11      /* segmentation violation */
#define SIGSYS  12      /* bad argument to system call */
#define SIGPIPE 13      /* write on a pipe with no one to read it */
#define SIGALRM 14      /* alarm clock */
#define SIGTERM 15      /* software termination signal from kill */
#define SIGURG  16      /* urgent condition on IO channel */
#define SIGSTOP 17      /* sendable stop signal not from tty */
#define SIGTSTP 18      /* stop signal from tty */
#define SIGCONT 19      /* continue a stopped process */
#define SIGCHLD 20      /* to parent on child stop or exit */
#define SIGTTIN 21      /* to readers pgrp upon background tty read */
#define SIGTTOU 22      /* like TTIN for output if (tp->t_local&LTOSTOP) */
#define SIGIO   23      /* input/output possible signal */
#define SIGXCPU 24      /* exceeded CPU time limit */
#define SIGXFSZ 25      /* exceeded file size limit */
#define SIGVTALRM 26    /* virtual time alarm */
#define SIGPROF 27      /* profiling time alarm */
#define SIGWINCH 28     /* window size changes */
#define SIGINFO 29      /* information request */
#define SIGUSR1 30      /* user defined signal 1 */
#define SIGUSR2 31      /* user defined signal 2 */

这里我把所有 Linux 0.11 支持的信号都放在这了，有我们熟悉的按下 CTRL+C 时的信号 SIGINT，有我们通常杀死进程时 kill -9 的信号 SIGKILL，还有 core dump 内存访问出错时经常遇到的 SIGSEGV。

在现代 Linux 操作系统中，你输入个 kill -l 便可知道你所在的系统所支持的信号，下面是我在我购买的一台腾讯云主机上的结果。

OK，这么几句话，我就说完了信号的本质，以及信号的种类。

现在这个进程的 tast_struct 结构中的 signal 就有了对应信号位的值，那么在下次时钟中断到来时，便会通过 timer_interrupt 这个时钟中断处理函数，一路调用到 do_signal 方法。

// kernel/signal.c
void do_signal (long signr ...) 
    ...
    struct sigaction *sa = current->sigaction + signr - 1;
    sa_handler = (unsigned long) sa->sa_handler;
    // 如果信号处理函数为空，则直接退出
    if (!sa_handler) 
        ...
        do_exit (1 << (signr - 1));
        ...
    
    // 否则就跳转到信号处理函数的地方运行
    *(&eip) = sa_handler;
    ...

时钟中断和进程调度的流程，你可以看 第24回 | 从一次定时器滴答来看进程调度，这里不再展开。

我们可以看到，进入 do_signal 函数后，如果当前信号 signr 对应的信号处理函数 sa_handler 为空时，就直接调用 do_exit 函数退出，也就是我们看到的按下 CTRL+C 之后退出的样子了。

但是，如果信号处理函数不为空，那么就通过将 sa_handler 赋值给 eip 寄存器，也就是指令寄存器的方式，跳转到相应信号处理函数处运行。

怎么验证这一点呢？很简单，信号处理函数注册在每个进程 task_struct 中的 sigaction 数组中。

// signal.h
struct  sigaction 
    union __sigaction_u __sigaction_u;  /* signal handler */
    sigset_t sa_mask;               /* signal mask to apply */
    int     sa_flags;               /* see signal options below */
;

/* union for signal handlers */
union __sigaction_u 
    void    (*__sa_handler)(int);
    void    (*__sa_sigaction)(int, struct __siginfo *,
        void *);
;

// sched.h
struct task_struct 
    ...
    struct sigaction sigaction[32];
    ...

没错，只需要给 sigaction 对应位置处填写上信号处理函数即可。

那么如何注册这个信号处理函数呢，通过调用 signal 这个库函数即可。

我们可以写一个小程序。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void int_handler(int signal_num) 
    printf("signal receive %d\\n", signal_num);


int main(int argc, char ** argv) 
    signal(SIGINT, int_handler);
    for(;;)
        pause();
    return 0;

这是个死循环的 main 函数，只不过，通过 signal 注册了 SIGINT 的信号处理函数，里面做的事情仅仅是打印一下信号值。

编译并运行它，我们会发现在按下 CTRL+C 之后程序不再退出，而是输出了我们 printf 的话。

我们多次按 CTRL+C，这个程序仍然不会退出，会一直输出上面的话。

这就做到了亲手捕获 SIGINT 这个信号。但这个程序有点不友好，永远无法 CTRL+C 结束了，我们优化一下代码，让第一次按下 CTRL+C 后的信号处理函数，把 SIGINT 的处理函数重新置空。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void int_handler(int signal_num) 
    printf("signal receive %d\\n", signal_num);
    signal(SIGINT, NULL);


int main(int argc, char ** argv) 
    signal(SIGINT, int_handler);
    for(;;)
        pause();
    return 0;

我们发现，这次按下第二次 CTRL+C 程序就会退出了，这也间接证明了，当没有为 SIGINT 注册信号处理函数时，程序接收到 CTRL+C 的 SIGINT 信号时便会退出。

至此，有关信号的内容，就讲明白了。

信号是进程间通信的一种方式，管道也是进程间通信的一种方式，所以通过 第45回 | 解析并执行 shell 命令 讲述的管道原理，与本回讲述的信号原理，你已经掌握了进程间通信的两种方式了。

通过这种类似 “倒叙” 的讲述方法，希望你能明白，其实技术的本质并不复杂，只不过被抽象之后，由于你不了解下面的细节，就变得云里雾里了。

欲知后事如何，且听下回分解。

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