一文搞懂Linux信号【下】
🚩引言
在观看本博客之前，建议大家先看一文搞懂Linux信号【上】。由于上一篇博客篇幅太长，为了更好的阅读体验，我拆成了两篇博客。那么接下来，在上一篇的基础上，我们继续学习Linux信号部分。本篇我们主要谈论信号保存和信号处理。
🚩阻塞信号
🌸信号的其他几个相关的概念
首先，先向大家抛出信号中的几个概念
- 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。
张三在上小学时，非常讨厌数学老师，但是数学老师又很凶。有一次上课时，老师说：“拿起本子记一下作业”。尽管很不喜欢这个老师，但又很害怕这几老师，张三无奈的记下了作业，想着：我现在先不写，假如老师真的发现我没写作业的话，我再写。而相比于懦弱的张三，头铁的李四则选择压根不写，忽略这次信号。
在这里，信号就像是作业。张三选择先记下作业，这就像是阻塞信号，等到什么时候被发现了，才写，写作业的过程，就是信号递达的过程。而李四的行为就是兑现好做出了处理，这个处理就是忽略。
阻塞和忽略是两个不同的概念：
阻塞信号是指在信号还未到来之前，先对某个信号阻塞，等到阻塞解除，才对信号做出处理动作。
忽略：忽略本身就信号的处理动作，只不过这个处理动作是忽略。
🚩信号保存
🚀pending位图
我们再一文搞懂Linux信号【上】中说过：信号在内核中是以unsigned int类型的位图来保存的，从低位到高位，比特位的位置代表信号的编号，比特位的内容代表是否收到对应的信号，0代表没有收到，1代表收到了对应的信号。这个位图就叫做pending位图。
所以：发送信号的本质就是修改pending位图。与其说发送信号，不如说是写信号。由于pending位图在task_struct结构体中，属于内核数据结构，所以修改位图的结构只能是操作系统。
🚀block位图
在操作系统，还有一个位图结构，叫作lock位图。
在block位图中，比特位的位置代表对应的信号的编号。对应的比特位为0，代表该信号没有被阻塞，可以递达；对应的比特位为1，代表该信号被阻塞，无法递达，除非解除阻塞。
所以，一个信号要想递达，①要将pending位图中对应的比特位置为1，②要将block位图中对应的比特位置为0。
🚀hander数组
在进程的task_struct结构体中，存在着一个存放sighander_t*类型的指针数组。在这个数组中，数组的位置代表信号的编号， 数组下标的内容，代表对应信号的处理方法（自定义行为）。当上层调用signal设置自定义行为时，操作系统会将自定义函数的地址传入该数组中，然后对信号进行捕捉时，通过数组中的地址找到对应的处理方法，完成捕捉。
如图：
针对如上的三个结构，需要说明的有：
- 一个信号没有被发送，并不影响这个信号被阻塞。
- 我们刚开始学习信号时，知道操作系统认识对应的信号是通过程序员的编码完成的。现在我们知道每一个信号的相关信息都会被设置进3个结果中，等到信号来临时，就可以做出处理动作。
- 由于信号是用位图来保存的，所以，当操作系统连续多次向某个进程发送大量同种信号时，pending位图也只能记录一次。其他信号也就会丢失。
🚩信号捕捉
从刚一开始接触信号时，我们就说：信号在产生的时候，不会被立即处理，而是要等到合适的时候再进行处理。什么是合适的时候呢？在进程从内核态返回用户态的时候，也就代表着曾经我一定进入过内核态。为了方便讲解，我们先补充一些预备知识。
🚀用户态和内核态
如图所示
代码的运行状态分为两种：用户态和内核态，用户态是最基本的运行状态，自己所写的代码全部都是用户态的代码，内核态则比较高级。
当代码中出现①使用操作系统的自身资源（getpid，waitpid.......）②涉及访问硬件资源（printf，scanf.......）时。用户为了访问这些资源，必须直接或者间接的使用操作系统提供的系统调用接口。但是普通用户无法直接调用系统调用接口，必须让自己的身份从用户态变为内核态。实际执行系统调用的进程，但是身份其实是内核。这里，还要说明一点：因为从用户态访问内核资源还要发生身份的变化，成本较高，所以往往系统调用比较浪费时间，所以尽量不要频繁的调用系统调用接口。
🚩cpu和寄存器
对于cpu大家都不陌生，负责数据的运算。在cpu中有大量的寄存器，这些寄存器分为可见寄存器和不可见寄存器。其中很多寄存器都和进程是强相关的，保存着进程的上下文数据。寄存器属于操作系统，但寄存器内的数据属于进程。当一个进程在cpu上运行时，有关该进程的数据都被投递到寄存器中。典型的比如：①当前进程的task_struct地址②页表的起始地址（方便虚拟内存和物理内存之间的转化）都被投递到不同的寄存器中。
其中，有一个名为CR3的寄存器，这个寄存器表征当前进程是处于用户态还是内核态。寄存器内的数字为0表示处于内核态，数字为3表示处于用户态。
🚀深挖虚拟内存空间
我们之前在将虚拟内存时，知道虚拟内存一共有4G的空间，其中3G的空间是用户空间，该块空间通过页表和物理内存映射，进而读取用户代码和数据。但是还存在1G的内核空间呢？这是什么鬼？干什么用的？
这块空间同样通过页表和物理内存形成映射，只不过想映射的物理内存中存储的不再是用户的代码和数据，而是操作系统和系统调用的相关代码数据和方法。
用户空间和内核空间的页表等等有什么不同呢？
- 用户空间属于该进程的空间，具有私密性，同时每个进程都有相对应的用户空间页表结构，且不同进程的用户级页表不同。
- 在操作系统启动时，操作系统的相关的代码和数据加载到对应的物理内存，由于操作系统只有一个，所以所有的进程共享一个内核级页表，不具有私密性。
所以，如果进程想要访问操作系统的资源，该如何做？
- 将CPU中的CR3寄存器储存的值由3变为0
- 在进程地址空间中，在空间的上下文之间进行跳转。由用户级空间跳转到内核级空间，通过内核级页表映射，找到系统调用的执行方法。
所以，我们知道从用户态和内核态之间的跳转是非常浪费资源的。当代码执行到需要访问操作系统资源的时候，尽管浪费资源和时间，但是进程还要从用户态变为内核态，然后执行相关的系统调用接口。但是，站在进程的角度，它认为跳转一次太慢了，必须把所有只能在内核态中才能进行的操作完成。进程从用户态切换成内核态常见的原因有：系统调用，进程切换。
因为处理信号也需要在内核态中进行。所以进程就开始检查信号对应的block位图和pending位图。
检查顺序为先查block位图，然后再查pending位图。我展开说一下：
- 首先，查block位图。如果比特位为1，表示被阻塞，然后接着下一位比特位；如果比特位为0，再看pending中该信号对应的比特位，如果为0，接着查block位图的下一位比特位；如果比特位为1，说明该信号目前处于未决状态，应立即处理。然后查对应的处理方法hander表。
但是如果这个信号对应的处理方法是自定义行为呢？自定义函数属于自己编写的代码，在用户态中，操作系统允许进程在内核态中运行用户态的代码吗？
不行。理论上可以，但是操作系统为了安全，不敢这么干。因为它并不知道这个方法要干什么，万一要是恶意者恶搞系统咋办，所以，操作系统能力让进程在内核态中执行用户态的代码，但是不敢这么做。如果进程处于用户态然后执行这个方法，操作系统就没必要担心了，出了事也是这个进程被终止，和操作系统没关系。，
所以，为了执行信号的自定义方法，进程必须从内核态中返回用户态
当执行完方法后，如果有需要，进程还要返回内核态中，继续运行程序。
总结一下：
我们看到，其实整个过程看起来就像是个躺着的8。我把整个过程分为4个小过程，逐一说明
①代码在执行过程中遇到了系统调用或者时间片已到要进行程序替换。进程从用户态变为内核态来执行该过程。
②执行完毕。由于进程状态切换太浪费资源，进程就像一次性把要在内核态中干的所有事情全部搞完，再返回内核态。所以就检测是否收到了信号，如果收到了信号，并且处理方法是自定义方法，在用户态对应的物理内存。
③进程为了执行信号的处理方法，返回用户态执行。执行完毕后，返回内核态继续干其他工作。
④当进程把所有只能在内核态中运行的操作，全部完成后，返回用户态执行。
🚩操作信号集
我们的信号位图又称信号集，分为pending信号集和block信号集。block信号集又称信号屏蔽字。
1.信号集操作函数
#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); - 函数sigemptyset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit清零,表示该信号集不包含 任何有效信号。
- 函数sigfillset初始化set所指向的信号集,使其中所有信号的对应bit置1,表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
- 在使用sigset_ t类型的变量之前,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。
2.其它操作函数
调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(block)。
#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 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。如果oset和set都是非空指针,则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里,然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。
SIG_BLOCK：将set指向信号集中的信号，添加到进程阻塞信号集； SIG_UNBLOCK：将set指向信号集中的信号，从进程阻塞信号集删除； SIG_SETMASK：将set指向信号集中的信号，设置成进程阻塞信号集；
调用函数sigpending可以读取当前进程的未决信号集,
#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);现在我们用上述函数来测试一下信号递达的过程：首先是对SIGINT信号进行阻塞，然后通过ctrl+c 发送SIGINT 信号，发现SIGINT信号在pending位图中别标记为1，但是信号未决，直到解除对SIGINT信号的屏蔽，SIGINT信号递达，后续再发送SIGINT信号，会被直接递达，因为ISGINT并没有被阻塞。
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<cassert>
#include<vector>
#define NUM 32
using namespace std;
vector<int>sigarr={2};
// 打印信号集
static void show_pending(const sigset_t &s)
{
for(int signo=32;signo>=1;signo--)
{
if(sigismember(&s,signo))
{
cout<<"1";
}
else
{
cout<<"0";
}
}
cout<<" "<<endl;
}
// 自定义信号处理方法
void hander(int signo)
{
cout<<"收到一个信号:"<<signo<<endl;
}
int main()
{
//自定义行为
for(auto signo:sigarr)
{
signal(signo,hander);
}
// 初始化信号集
sigset_t block,oblock,pending;
sigemptyset(&block);
sigemptyset(&oblock);
sigemptyset(&pending);
for(auto signo:sigarr)
{
sigaddset(&block,signo);
}
// 写入信号屏蔽字中
sigprocmask(SIG_SETMASK,&block,&oblock);
int cnt=5;
while(1)
{
// 读取pending信号集
sigpending(&pending);
show_pending(pending);
sleep(1);
if(cnt--==0)
{
cout<<"信号屏蔽字已更改"<<endl;
sigprocmask(SIG_SETMASK,&oblock,&block);
}
cout<<"----------------------------------------------"<<endl;
}
}代码运行如下：
🚩总结：
- 我们可以选择性的对信号做出阻塞。要分清阻塞和忽略的区别。
- 在task_struct中，有pending位图负责保存收到信号，block位图负责保存阻塞的信号，还有一个指针数组指向信号的处理方法。
- 信号在进程由内核态返回用户态时进行处理，要牢记信号捕捉的过程。
- 要熟悉操作信号位图的函数。
本文到这里，就结束了，谢谢大家的观看。我们下一篇博客再见。