内核信号处理 & CPU8个通用寄存器

Posted 2020-08-27

内核信号处理参考：

http://www.spongeliu.com/165.html

 

信号本质上是在软件层次上对中断机制的一种模拟（注意区分中断、异常、信号），其主要有以下几种来源：

1. 程序错误：除零，非法内存访问…
2. 外部信号：终端Ctrl-C产生SGINT信号，定时器到期产生SIGALRM…
3. 显式请求：kill函数允许进程发送任何信号给其他进程或进程组。

在Linux下，可以通过以下命令查看系统所有的信号：

kill -l

可以通过类似下面的命令显式的给一个进程发送一个信号：

kill -2 pid

 

目前Linux支持64种信号。信号分为非实时信号(不可靠信号)和实时信号（可靠信号）两种类型，对应于 Linux 的信号值为 1-31 和 34-64。（详细，见第二部分）

信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。本文着重于Linux的信号处理机制，对信号更多的介绍可以参考这里。

 

一般情况下一个进程接受到信号后，会有如下的行为：

进程对信号的响应

1. 忽略信号：大部分信号可被忽略，除SIGSTOP和SIGKILL信号外（这是超级用户杀掉或停掉任意进程的手段）。
2. 捕获信号：注册信号处理函数，它对产生的特定信号做处理。
3. 让信号默认动作起作用：unix内核定义的默认动作，有5种情况：
   • a) 流产abort：终止进程并产生core文件。
   • b) 终止stop：终止进程但不生成core文件。
   • c) 忽略：忽略信号。
   • d) 挂起suspend：挂起进程。
   • e) 继续continue：若进程是挂起的，则resume进程，否则忽略此信号。

 

注册信号处理函数

如果想要进程捕获某个信号，然后作出相应的处理，就需要注册信号处理函数。同中断类似，内核也为每个进程准备了一个信号向量表,信号向量表中记录着每个信号所对应的处理机制，默认情况下是调用默认处理机制。当进程为某个信号注册了信号处理程序后，发生该信号时，内核就会调用注册的函数。

 

注册信号处理函数是通过系统调用signal()、sigaction()。其中signal()在可靠信号系统调用的基础上实现, 是库函数。它只有两个参数，不支持信号传递信息，主要是用于前32种非实时信号的安装；而sigaction()是较新的函数（由两个系统调用实 现：sys_signal以及sys_rt_sigaction），有三个参数，支持信号传递信息，主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用，当然，sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。关于这方面的内容，如果想获取更多，也可参考这里。

 

Linux下信号处理机制

进程如何发现和接受信号？

我们知道，信号是异步的，一个进程不可能等待信号的到来，也不知道信号会到来，那么，进程是如何发现和接受信号呢？实际上，信号的接收不是由用户进程来完成的，而是由内核代理。当一个进程P2向另一个进程P1发送信号后，内核接受到信号，并将其放在P1的信号队列当中。当P1再次陷入内核态时，会检查信号队列，并根据相应的信号调取相应的信号处理函数。如下图所示：

信号检测和响应时机

刚才我们说，当P1再次陷入内核时，会检查信号队列。那么，P1什么时候会再次陷入内核呢？陷入内核后在什么时机会检测信号队列呢？

1. 当前进程由于系统调用、中断或异常而进入系统空间以后，从系统空间返回到用户空间的前夕。
2. 当前进程在内核中进入睡眠以后刚被唤醒的时候（必定是在系统调用中），或者由于不可忽略信号的存在而提前返回到用户空间。

 

进入信号处理函数

发现信号后，根据信号向量，知道了处理函数，那么该如何进入信号处理程序，又该如何返回呢？

我们知道，用户进程提供的信号处理函数是在用户态里的，而我们发现信号，找到信号处理函数的时刻处于内核态中，所以我们需要从内核态跑到用户态去执行信号处理程序，执行完毕后还要返回内核态。这个过程如下图所示：

 

如图中所见，处理信号的整个过程是这样的：进程由于  系统调用或者中断  进入内核，完成相应任务返回用户空间的前夕，检查信号队列，如果有信号，则根据信号向量表找到信号处理函数，设置好“frame”后，跳到用户态执行信号处理函数。信号处理函数执行完毕后，返回内核态，设置“frame”，再返回到用户态继续执行程序。

在上面这段话中，我提到“frame”，frame是什么？那么为什么要设置frame？为什么在执行完信号处理函数后还要返回内核态呢？

 

什么叫Frame？

在调用一个子程序时，堆栈要往下（逻辑意义上是往上）伸展，这是因为需要在堆栈中保存子程序的返回地址，还因为子程序往往有局部变量，也要占用堆栈中的空间。此外，调用子程序时的参数也是在堆栈中。子程序调用嵌套越深，则堆栈伸展的层次也越多。在堆栈中的每一个这样的层次，就称为一个”框架”，即frame。

（注：也就是跟gdb里面bt命令看到的frame是一个概念）

 

一般来说，当子程序和调用它的程序在同一空间中时，堆栈的伸展，也就是堆栈中框架的建立，过程主要如下：

1. call指令将返回地址压入堆栈（自动）
2. 用push指令压入调用参数
3. 调整堆栈指针来分配局部变量

 

我们知道，当进程陷入内核态的时候，会在堆栈中保存中断现场。因为用户态和内核态是两个运行级别，所以要使用两个不同的栈。

注：上面这一句特别重要，一定要注意是两个栈。

在找到了信号处理函数之后，do_signal函数首先把内核堆栈中存放返回执行点的eip保存为old_eip，然后将eip替换为信号处理函数的地址，然后将内核中保存的“原ESP”（即用户态栈地址）减去一定的值，目的是扩大用户态的栈，然后将内核栈上的内容保存到用户栈上，这个过程就是设置frame.值得注意的是下面两点：

1. 之所以把EIP的值设置成信号处理函数的地址，是因为一旦进程返回用户态，就要去执行信号处理程序，所以EIP要指向信号处理程序而不是原来应该执行的地址。
2. 之所以要把frame从内核栈拷贝到用户栈，是因为进程从内核态返回用户态会清理这次调用所用到的内核栈（类似函数调用），内核栈又太小，不能单纯的在栈上保存另一个frame（想象一下嵌套信号处理），而我们需要EAX（系统调用返回值）、EIP这些信息以便执行完信号处理函数后能继续执行程序，所以把它们拷贝到用户态栈以保存起来。

 

注：中间一段省略。讲的就是发现信号之后，要去执行信号处理函数，所以寄存器EIP要指向信号处理函数而不是原来的后续执行地址。那么调用结束之后，还要回到内核态，原因下一段介绍了，主要两点。

 

信号处理函数执行完后怎么办？

信号处理程序执行完毕之后，进程会主动调用sigreturn()系统调用再次回到内核，（一）查看有没有其他信号需要处理，如果没有，这时内核就会做一些善后工作，将之前（二）保存的frame恢复到内核栈，恢复eip的值为old_eip，然后返回用户空间，程序就能够继续执行。至此，内核遍完成了一次（或几次）信号处理工作。

 

 

寄存器

16位cpu通用寄存器共有　8　个：AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI.

八个寄存器都可以作为普通的数据寄存器使用。

但有的有特殊的用途：AX为累加器，CX为计数器，BX，BP为基址寄存器，SI,DI为变址寄存器，BP还可以是基

指针，SP为堆栈指针。

32位cpu通用寄存器共有　8　个： EAX,EBX,ECX,EDX,EBP,ESP,ESI,EDI功能和上面差不多

 

注意：EAX：系统调用返回值

EIP：下一条执行的位置

ESP：栈地址

 

 

 

非实时、实时信号 以及 信号相关函数

http://www.cnblogs.com/hoys/archive/2012/08/19/2646377.html

 

信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号，可靠信号克服了信号可能丢失的问题。Linux在支持新版本的信号安装函数sigation()以及信号发送函数sigqueue()的同时，仍然支持早期的signal()信号安装函数，支持信号发送函数kill()。

信号的可靠与不可靠只与信号值有关，与信号的发送及安装函数无关。目前linux中的signal()是通过sigation()函数实现的，因此，即使通过signal()安装的信号，在信号处理函数的结尾也不必再调用一次信号安装函数。同时，由signal()安装的实时信号支持排队，同样不会丢失。

 

对于目前linux的两个信号安装函数：signal()及sigaction()来说，它们都不能把SIGRTMIN以前的信号变成可靠信号（都不支持排队，仍有可能丢失，仍然是不可靠信号），而且对SIGRTMIN以后的信号都支持排队。这两个函数的最大区别在于，经过sigaction安装的信号都能传递信息给信号处理函数，而经过signal安装的信号不能向信号处理函数传递信息。对于信号发送函数来说也是一样的。

 

2.2    实时信号与非实时信号

早期Unix系统只定义了32种信号，前32种信号已经有了预定义值，每个信号有了确定的用途及含义，并且每种信号都有各自的缺省动作。如按键盘的CTRL ^C时，会产生SIGINT信号，对该信号的默认反应就是进程终止。后32个信号表示实时信号，等同于前面阐述的可靠信号。这保证了发送的多个实时信号都被接收。

 

非实时信号都不支持排队，都是不可靠信号；实时信号都支持排队，都是可靠信号。

 

Linux支持的信号列表如下。很多信号是与机器的体系结构相关的

信号值 默认处理动作 发出信号的原因

SIGHUP 1 A 终端挂起或者控制进程终止

SIGINT 2 A 键盘中断（如break键被按下）

SIGQUIT 3 C 键盘的退出键被按下

SIGILL 4 C 非法指令

SIGABRT 6 C 由abort(3)发出的退出指令

SIGFPE 8 C 浮点异常

SIGKILL 9 AEF Kill信号

SIGSEGV 11 C 无效的内存引用

SIGPIPE 13 A 管道破裂: 写一个没有读端口的管道

SIGALRM 14 A 由alarm(2)发出的信号

SIGTERM 15 A 终止信号

SIGUSR1 30,10,16 A 用户自定义信号1

SIGUSR2 31,12,17 A 用户自定义信号2

SIGCHLD 20,17,18 B 子进程结束信号

SIGCONT 19,18,25 进程继续（曾被停止的进程）

SIGSTOP 17,19,23 DEF 终止进程

SIGTSTP 18,20,24 D 控制终端（tty）上按下停止键

SIGTTIN 21,21,26 D 后台进程企图从控制终端读

SIGTTOU 22,22,27 D 后台进程企图从控制终端写

View Code

 

信号在目标进程中注册

在进程表的表项中有一个软中断信号域，该域中每一位对应一个信号。内核给一个进程发送软中断信号的方法，是在进程所在的进程表项的信号域设置对应于该信号的位。如果信号发送给一个正在睡眠的进程，如果进程睡眠在可被中断的优先级上，则唤醒进程；否则仅设置进程表中信号域相应的位，而不唤醒进程。如果发送给一个处于可运行状态的进程，则只置相应的域即可。

 

进程的task_struct结构中有关于本进程中未决信号的数据成员： struct sigpending pending：

struct sigpending{

        struct sigqueue *head, *tail;

        sigset_t signal;

};

（注：上面sigqueue和sigset_t分别用于实时信号和非实时信号）

 

当一个实时信号发送给一个进程时，不管该信号是否已经在进程中注册，都会被再注册一次，因此，信号不会丢失，因此，实时信号又叫做"可靠信号"。这意味着同一个实时信号可以在同一个进程的未决信号信息链中占有多个sigqueue结构（进程每收到一个实时信号，都会为它分配一个结构来登记该信号信息，并把该结构添加在未决信号链尾，即所有诞生的实时信号都会在目标进程中注册）。

 

当一个非实时信号发送给一个进程时，如果该信号已经在进程中注册（通过sigset_t signal指示），则该信号将被丢弃，造成信号丢失。因此，非实时信号又叫做"不可靠信号"。这意味着同一个非实时信号在进程的未决信号信息链中，至多占有一个sigqueue结构。

 

总之信号注册与否，与发送信号的函数（如kill()或sigqueue()等）以及信号安装函数（signal()及sigaction()）无关，只与信号值有关（信号值小于SIGRTMIN的信号最多只注册一次，信号值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之间的信号，只要被进程接收到就被注册）

 

 

3.3    信号的执行和注销

内核处理一个进程收到的信号的时机是在一个进程从内核态返回用户态时。所以，当一个进程在内核态下运行时，软中断信号并不立即起作用，要等到将返回用户态时才处理。进程只有处理完信号才会返回用户态，进程在用户态下不会有未处理完的信号。

 

如果进程收到一个要捕捉的信号，那么进程从内核态返回用户态时执行用户定义的函数。而且执行用户定义的函数的方法很巧妙，内核是在用户栈上创建一个新的层，该层中将返回地址的值设置成用户定义的处理函数的地址，这样进程从内核返回弹出栈顶时就返回到用户定义的函数处，从函数返回再弹出栈顶时，才返回原先进入内核的地方。这样做的原因是用户定义的处理函数不能且不允许在内核态下执行（如果用户定义的函数在内核态下运行的话，用户就可以获得任何权限）。

 

5       信号的发送

发送信号的主要函数有：kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()。

 

5.1    kill()

#include <sys/types.h>

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid,int signo)

 

该系统调用可以用来向任何进程或进程组发送任何信号。参数pid的值为信号的接收进程

pid>0 进程ID为pid的进程

pid=0 同一个进程组的进程

pid<0 pid!=-1 进程组ID为 -pid的所有进程

pid=-1 除发送进程自身外，所有进程ID大于1的进程

 

Sinno是信号值，当为0时（即空信号），实际不发送任何信号，但照常进行错误检查，因此，可用于检查目标进程是否存在，以及当前进程是否具有向目标发送信号的权限（root权限的进程可以向任何进程发送信号，非root权限的进程只能向属于同一个session或者同一个用户的进程发送信号）。

Kill()最常用于pid>0时的信号发送。该调用执行成功时，返回值为0；错误时，返回-1，并设置相应的错误代码errno。下面是一些可能返回的错误代码：

EINVAL：指定的信号sig无效。

ESRCH：参数pid指定的进程或进程组不存在。注意，在进程表项中存在的进程，可能是一个还没有被wait收回，但已经终止执行的僵死进程。

EPERM： 进程没有权力将这个信号发送到指定接收信号的进程。因为，一个进程被允许将信号发送到进程pid时，必须拥有root权力，或者是发出调用的进程的UID 或EUID与指定接收的进程的UID或保存用户ID（savedset-user-ID）相同。如果参数pid小于-1，即该信号发送给一个组，则该错误表示组中有成员进程不能接收该信号。

 

5.2    sigqueue（）

#include <sys/types.h>

#include <signal.h>

int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval val)

调用成功返回 0；否则，返回 -1。

 

sigqueue()是比较新的发送信号系统调用，主要是针对实时信号提出的（当然也支持前32种），支持信号带有参数，与函数sigaction()配合使用。

 

5.3    alarm（）

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds)

系统调用alarm安排内核为调用进程在指定的seconds秒后发出一个SIGALRM的信号。如果指定的参数seconds为0，则不再发送 SIGALRM信号。后一次设定将取消前一次的设定。该调用返回值为上次定时调用到发送之间剩余的时间，或者因为没有前一次定时调用而返回0。

 

注意，在使用时，alarm只设定为发送一次信号，如果要多次发送，就要多次使用alarm调用。

 

5.4    setitimer（）

现在的系统中很多程序不再使用alarm调用，而是使用setitimer调用来设置定时器，用getitimer来得到定时器的状态，这两个调用的声明格式如下：

int getitimer(int which, struct itimerval *value);

int setitimer(int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue);

在使用这两个调用的进程中加入以下头文件：

#include <sys/time.h>

 

5.5    abort()

#include <stdlib.h>

void abort(void);

向进程发送SIGABORT信号，默认情况下进程会异常退出，当然可定义自己的信号处理函数。即使SIGABORT被进程设置为阻塞信号，调用abort()后，SIGABORT仍然能被进程接收。该函数无返回值。

 

5.6    raise（）

#include <signal.h>

int raise(int signo)

向进程本身发送信号，参数为即将发送的信号值。调用成功返回 0；否则，返回 -1。

 

6       信号集及信号集操作函数：

信号集被定义为一种数据类型：

typedef struct {

                       unsigned long sig[_NSIG_WORDS]；

} sigset_t

信号集用来描述信号的集合，每个信号占用一位。Linux所支持的所有信号可以全部或部分的出现在信号集中，主要与信号阻塞相关函数配合使用。

 

7       信号阻塞与信号未决:

每个进程都有一个用来描述哪些信号递送到进程时将被阻塞的信号集，该信号集中的所有信号在递送到进程后都将被阻塞。下面是与信号阻塞相关的几个函数：

#include <signal.h>

int  sigprocmask(int  how,  const  sigset_t *set, sigset_t *oldset))；

int sigpending(sigset_t *set));

int sigsuspend(const sigset_t *mask))；

 

sigprocmask()函数能够根据参数how来实现对信号集的操作，操作主要有三种：

SIG_BLOCK 在进程当前阻塞信号集中添加set指向信号集中的信号

SIG_UNBLOCK 如果进程阻塞信号集中包含set指向信号集中的信号，则解除对该信号的阻塞

SIG_SETMASK 更新进程阻塞信号集为set指向的信号集

 

sigpending(sigset_t *set))获得当前已递送到进程，却被阻塞的所有信号，在set指向的信号集中返回结果。

 

sigsuspend(const sigset_t *mask))用于在接收到某个信号之前, 临时用mask替换进程的信号掩码, 并暂停进程执行，直到收到信号为止。sigsuspend 返回后将恢复调用之前的信号掩码。信号处理函数完成后，进程将继续执行。该系统调用始终返回-1，并将errno设置为EINTR。

 

8       信号应用实例

linux下的信号应用并没有想象的那么恐怖，程序员所要做的最多只有三件事情：

安装信号（推荐使用sigaction()）；

实现三参数信号处理函数，handler(int signal,struct siginfo *info, void *)；

发送信号，推荐使用sigqueue()。

实际上，对有些信号来说，只要安装信号就足够了（信号处理方式采用缺省或忽略）。其他可能要做的无非是与信号集相关的几种操作。

 

注：信号还能传递参数信息。示例如下：

实例二：信号传递附加信息

主要包括两个实例：

向进程本身发送信号，并传递指针参数

#include <signal.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

void new_op(int,siginfo_t*,void*);

int main(int argc,char**argv)

{

        struct sigaction act;  

        union sigval mysigval;

        int i;

        int sig;

        pid_t pid;         

        char data[10];

        memset(data,0,sizeof(data));

        for(i=0;i < 5;i++)

                data[i]=‘2‘;

        mysigval.sival_ptr=data;

       

        sig=atoi(argv[1]);

        pid=getpid();

       

        sigemptyset(&act.sa_mask);

        act.sa_sigaction=new_op;//三参数信号处理函数

        act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息传递开关，允许传说参数信息给new_op

        if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0)

        {

                printf("install sigal error\\n");

        }

        while(1)

        {

                sleep(2);

                printf("wait for the signal\\n");

                sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本进程发送信号，并传递附加信息

        }

}

void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三参数信号处理函数的实现

{

        int i;

        for(i=0;i<10;i++)

        {

                printf("%c\\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i)));

        }

        printf("handle signal %d over;",signum);

}

这个例子中，信号实现了附加信息的传递，信号究竟如何对这些信息进行处理则取决于具体的应用。