【Linux】信号的处理

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你很*

充满了无限可能

这是很棒的事

我衷心祈祷你可以相信自己

无悔地燃烧自己的人生

-- 东野圭吾《解忧杂货店》

信号的处理

1 信号的处理
2 内核态 VS 用户态
3 键盘输入数据的过程
4 如何理解OS如何正常的运行
5 如何进行信号捕捉
信号处理的总结
6 可重入函数
volatile关键字
Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
下一篇文章见

1 信号的处理

处理信号本质就是递达这个信号！首先我们来看如何进行捕捉信号：信号的处理有三种：

signal(2 , handler);//自定义
signal(2 , SIG_IGN);//忽略
signal(2 , SIG_DFL);//默认

注意handler表是函数指针表，传入的参数一定是函数指针类型！！！

我们说过：信号可能不会被立即处理，而是在合适的时候进行处理。那么这个合适的时候到底是什么时候？！

进程从内核态（处于操作系统的状态）返回到用户态（处在用户状态）的时候进行处理！

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首先用户运行一个进程，在执行代码指令时因为中断，异常或者系统调用进如操作系统。
进入操作操作系统就变为内核态，操作系统处理完之后，就对进程的三张表进行检查：如果pending中存在，继续判断，如果被block了了就不进行处理，反之执行对应方法！
执行对应的方法时，如果是自定义方法，会返回到用户层面的代码，执行对应的方法。然后通过系统调用再次回到内核态。
进入内核态之后，再返回到原本的用户指令位置中

注意：

操作系统不能直接转过去执行用户提供的handler方法！因为操作系统权限太高了，必须回到用户权限来执行方法！
类似一个∞符号：

2 内核态 VS 用户态

再谈地址空间
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这样无论进程如何切换,都可以找到OS!!!
所以我们访问OS,其实还是在我们的地址空间进行的，和访问库函数没有区别！OS不相信任何用户，用户访问[3 , 4]地址空间，要受到一定约束（只能通过系统调用！）

3 键盘输入数据的过程

操作系统如何知道我们按下键盘呢？肯定不能是每一时刻都进行检查，这样消耗太大！

在CPU中，键盘按下时会向cpu发送硬件中断，CPU就会读取中断号读到寄存器中，CPU会告诉OS，后续通过软件来读取寄存器。

内存中，操作系统在启动时就会维护一张函数指针数组（中断向量表），数组下标是中断号，数组内容是读磁盘函数，读网卡函数等方法。每个硬件都有自己的中断号，键盘也是。按下键盘时，向CPU发送中断信号，然后调用键盘读取方法，将键盘数据读取到内存中！这样就不需要轮询检查键盘是否输入了！

4 如何理解OS如何正常的运行

根据我们使用电脑的经验，电脑开机到关机的过程中，本质一定是一个死循环。那这死循环是如何工作的呢？那么CPU内部有一个时钟，可以不断向CPU发送中断（例如每隔10纳秒），所以CPU可以被硬件推动下在死循环内部不断执行中断方法。来看Linux内核：
在操作系统的主函数中，首先是进行一些初始化（包括系统调用方法），然后就进入到了死循环！
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操作系统本质是一个死循环 + 时钟中断（不断调度系统任务）

那么系统调用时什么东西呢？
在操作系统内部，操作系统提供给我们一张表：系统调用函数表
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平时我们用户层使用的fork , getpid , dup2...等都对应到底层的sys_fork , sys_getpid ...。只有我们找到特定数组下标（系统调用号）的方法，就能执行系统调用了！

回到之前的函数指针数组，我们在这里再添加一个新方法，用来调度任何的系统调用。使用系统调用就要有：

系统调用号
系统调用函数指针表（操作系统内部）

用户层面如何使用到操作系统中的函数指针表呢？
这就要回到CPU中来谈，CPU中两个寄存器，假设叫做X 和 eax,当用户调用fork时，函数内部有类似

mov 2 eax //将系统调用号放入寄存器中

而所谓的中断不也是让CPU中的寄存器储存一个中断号来进行调用吗！那CPU内部可不可以直接写出数字呢？可以，当eax获取到数字时，寄存器X就会形成对应的数字，来执行操作系统的系统调用。

通过这种方法就可以通过用户的代码跳转到内核，来执行系统调用。但操作系统不是不相信任何用户吗？怎么就直接跳转了呢？用户是无法直接跳转到内存中的内核空间(3~4GB)。那么就有几个问题：

操作系统如何阻止用户直接访问？
系统调用最终是可以被调用的，又是如何做到的？

在操作系统中，解决这两种问题是非常复杂的！有很多概念，所以简单单来讲：做到这些需要硬件CPU配合，在CPU中存在一个寄存器code semgent记录代码段的起始与终止地址。就可以通过两个cs寄存器来分别储存用户与操作系统的代码！CS寄存器中单独设置出两个比特位来记录是OS还是用户,这样就要区分了内核态和用户态。运行代码时就会检测当前权限与代码权限是否匹配，进而做到阻止用户直接访问。而当我们调用系统调用（中断，异常）时，会改变状态，变成内核态，此时就可以调用系统调用

5 如何进行信号捕捉

今天我们来认识一个新的系统调用：

NAME
       sigaction, rt_sigaction - examine and change a signal action

SYNOPSIS
       #include <signal.h>

       int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

使用方法和signal很像，先介绍struct sigaction：

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

在这其中我们只需要注意 void (*sa_handler)(int);,这是个函数指针，就是自定义捕捉的函数方法。这样看来是不是就和signal很类似了

再来看看参数

int signum : 表示要对哪个信号进行捕捉
const struct sigaction *act ：输入型参数，表示要执行的结构体方法
struct sigaction *oldact：输出型参数，获取更改前的数据

我们写一段代码来看看：

// 创建一个进行，进入死循环
// 对2号信号进行自定义捕捉

void handler(int signum)
{
    std::cout << "get a sig : " << signum << " pid: " << getpid() << std::endl;
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    // 自定义捕捉方法
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    sigaction(2, &act, &oact);

    while (true)
    {
        std::cout << "I am a process... pid: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

我们运行看看：
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这样就成功捕捉了2号信号！用起来和之前的signal很类似！那么我们介绍这个干什么呢？我们慢慢来说：

首先信号处理有一个特性，比如我们在处理二号信号的时候，默认会对二号信号进行屏蔽！对2号信号处理完成的时候，会自动解除对2号信号的屏蔽！也就是操作系统不允许对同一个信号进行递归式的处理！！！

我们来简单验证一下:我们在handler方法中进行休眠，看看传入下一个2号信号是否会进行处理

void handler(int signum)
{
    std::cout << "get a sig : " << signum << " pid: " << getpid() << std::endl;
    sleep(100);
}

来看：
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可见进程就屏蔽了对2号信号的处理！

我们之前学习过三张表：阻塞，未决和抵达
既然操作系统对信号进行来屏蔽，那么再次传入的信号应该就会被记录到未决表（pending表）中，我们打印这个表来看看：


void Print(sigset_t &pending)
{
    for (int sig = 31; sig > 0; sig--)
    {
        if (sigismember(&pending, sig))
        {
            std::cout << 1;
        }
        else
        {
            std::cout << 0;
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}

void handler(int signum)
{
    std::cout << "get a sig : " << signum << " pid: " << getpid() << std::endl;
    while (true)
    {
        // 建立位图
        sigset_t pending;
        // 获取pending
        sigpending(&pending);
        Print(pending);
    }
}

来看：
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可以看的我们在传入2号信号时就进入到了未决表中！处理信号完毕，就会解除屏蔽！

接下来我们既可以来介绍sa_mask了，上面只是对2号信息进行了屏蔽，当我传入3号新号ctrl + \时就正常退出了，那么怎么可以在处理2号信号时屏蔽其他信号呢？就是通过sa_mask,将想要屏蔽的信号设置到sa_mask中，就会在处理2号信号的时候，屏蔽所设置的信号！

int main()
{
    struct sigaction act, oact;
    // 自定义捕捉方法
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    //向sa_mask中添加3号信号
    sigaddset(&act.sa_mask , 3);

    act.sa_flags = 0;
    sigaction(2, &act, &oact);

    while (true)
    {
        std::cout << "I am a process... pid: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

这样就也屏蔽了3号信号
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当然如果把所有信号都屏蔽了，肯定是不行的，所以有一部分信号不能被屏蔽，比如9号信号永远都不能屏蔽！！！

信号处理的总结

对于信号我们学习了三个阶段：

信号的产生与发送：中断，异常，系统调用。
信号的保存：三张表：阻塞，未决和递达
信号的处理

6 可重入函数

介绍一个新概念：可重入函数。
我们先来看一个情景：
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这是一个链表，我们的inser函数会进行一个头插，头插会有两行代码：

void insert(node_t* p)
{
	p->next = head;
	//------在这里接收到信号-----
	head = p;
}

我们进行头插时，进行完第一步之后，突然来了一个信号，但是我们之前说过：信号处理时在用户态到内核态进行切换时才进行处理，这链表的头插没有进行状态的切换啊？其实状态的切换不一定只能是系统调用方法，在时间片到了（时钟中断）之后，也进行了状态的切换。

而且恰好，该信号的自定义捕捉方法也是insert这时就导致node2插入到了链表中，信号处理完之后，头指针又被掰到node1了，就造成node2丢失了（内存泄漏了）！！！

这就叫做insert函数被重入了！！！

在重入过程中一旦造成了问题，就叫做不可重入函数！！！（因为一旦重入就造成了问题，那当然不能重入了）
绝大部分函数都是不可重入函数！

volatile关键字

我们今天在信号的角度再来重温一下：
volatile 作用：保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作保持数据可见性！

看这样一段代码：

#include <iostream>
#include <signal.h>

int flag = 0;
void changdata(int signo)
{
    std::cout << "get a sig : " << signo << " change flag 0->1"  << std::endl;
    flag = 1; 
}

int main()
{
    signal(2 , changdata);
    while(!flag);
    std::cout << "process quit normal" << std::endl;
}

主函数会一直进行死循环，只有接收到了2号信号才会退出！
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但当我们进行编译优化时（因为如果进程不接受到2号信号，那么flag就没有人来修改，编译器就认为没有任何代码对flag进行修改）,共同有四级优化00 01 02 03

而while(!flag)是一个逻辑运算，CPU 一般进行两种类别计算：算术运算和逻辑运算！会从内存进行读取，然后进行运算

g++ main main.cc -01

我们再次运行，却发现，进程不会结束了？！这是为什么！因为优化直接将数据优化到寄存中，因为编译器认为后续不会进行修改，所以寄存器中的值不会改变，程序只会读到寄存器中的值。所以就有了volatile关键字解决了这样的问题！！！

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