信号的三个阶段
学习信号需要学习信号产生前、信号产生中和信号产生后三个阶段。今天我们探讨后两个阶段。
信号产生中
信号相关概念：
- 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)，信号递达后有三种处理方式：默认，忽略和自定义。
- 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.
- 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。
- 信号可选的处理动作有三种：默认(SIG_DFL)，忽略(SIG_IGN)和自定义。
阻塞信号
进程在收到信号后，对于信号的处理并不是立刻做出反应，这与进程的优先级有关，进程有可能在执行优先级更高的工作，信号就需要被暂时保存下来，进程的信号会被暂时保存在进程的task_struct中。
信号在内核中的表示图：
- 每个信号都有两个标志位分别表示阻塞(block)和未决(pending)，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。
- 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，Linux会将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。
- 在上图的例子中,SIGHUP信号未阻塞也未产生过,当它递达时执行默认处理动作。
- 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信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数handler。
sigset_t
- 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。
- 阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字(Signal Mask)，这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。
信号集操作函数
sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_ t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。
sigemptyset函数
#include <signal.h>
原型：
int sigemptyset(sigset_t *set);
功能：
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。
sigfillset函数
#include <signal.h>
原型：
int sigfillset(sigset_t *set);
功能：
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置位,
表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。
sigaddset函数 和sigdelset函数
#include <signal.h>
原型：
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
功能：
调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。
sigismember函数
#include <signal.h>
原型：
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);
功能：
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。
sigprocmask函数
#include <signal.h>
原型：
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
功能：
可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)
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。
假设当前的信号屏蔽字为mask,下表说明了how参数的可选值：
sigpending函数
#include <signal.h>
原型：
int sigpending(sigset_t *set);
功能：
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。
返回值：
调用成功则返回0,出错则返回-1。
下面利用这些信号集操作函数打印信号集，测试代码：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
void show_pending(sigset_t *pending){
printf("process pending: ");
int sig = 1;
for(; sig <= 31; sig++){
if(sigismember(pending, sig)){
printf("1");
}
else{
printf("0");
}
}
printf("\n");
}
void handler(int signo){
printf("%d信号可被递达\n", signo);
}
int main()
{
sigset_t iset, oset;
sigemptyset(&iset); // 将信号集全设置为0
sigemptyset(&oset);
signal(2, handler); // 将2号信号的处理方式设为自定义
sigaddset(&iset, 2); // 设置iset中的二号信号
sigprocmask(SIG_SETMASK, &iset, &oset); // 屏蔽进程的二号信号
int count = 0;
sigset_t pending;
while(1){
sigemptyset(&pending);
sigpending(&pending); // 获取进程的信号位图
show_pending(&pending); // 打印进程的信号位图
sleep(1);
count++;
if(count == 5){
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);
}
}
return 0;
}
运行结果：
信号产生后
内核态和用户态
- 内核态：执行操作系统OS的代码和数据的时候所处的状态叫做内核态，操作系统的代码全都是在内核态执行的。
- 用户态：用户代码和数据被访问或者执行的时候所处的状态就叫用户态，我们用户自己写的代码全部都是在用户态被执行的。
- 主要区别：权限
感性认识：
当我们调用open系统调用时，除了会进入操作系统的open函数的具体实现，还会发生身份的变化，从用户态转化为内核态。
理性认识：
每一个进程都有一个4G的进程地址空间，进程地址空间分为用户空间和内核空间，用户的代码和数据通过用户级页表映射到物理内存中，用户的代码要能运行就必须被加载到内存中，内核的代码和数据同理，也要被加载到内存中，开机就是在加载内核的代码和数据到内存中，内核空间和同样拥有一份页表，叫做内核级页表。进程为了维护进程的独立性，每个进程都有自己的进程地址空间，也有自己的用户级页表，但是内核级页表只有一份，被所有的进程共享。
这样就保证了每个进程都能访问到自己用户的代码和内核的代码，但是能访问到内核的代码就可以执行内核的代码吗？
所以在进程中就必须要有一种身份认证来辨别自己的工作模式，是访问用户的代码还是访问内核的代码，这种工作模式在进程中有相关的数据去标识，这个数据会被加载到CPU中。CPU中有一个寄存器叫做CR3，CR3为0表示内核态，CR3为3表示用户态就有权限执行内核的代码，进程就可以通过这个寄存器辨别是用户态还是内核态。
总结：
- 用户态使用的是用户级页表，只能访问用户的代码和数据。
- 内核态使用的是内核级页表，只能访问内核的代码和数据。
- CPU内有寄存器保存进程的状态。
- 进程无论如何切换，都能保证找到同一个操作系统，因为每个进程都有进程地址空间使用同一份内核级页表。
- 系统调用的本质是进程的身份从用户态变成内核态，通过内核级页表找到系统函数的实现执行。
内核如何实现信号的捕捉
信号在被操作系统发送给进程时，进程会先把信号保存在pending位图里，进程有可能在做优先级更高的工作，信号会在合适的时候被延时处理，这取决于操作系统和进程，那么信号被处理的合适的时候是什么时候呢？
信号被保存在进程的task_struct里的pending位图里，当进程从内核态返回用户态的时候，进行信号的检测和处理工作 – 递达信号(默认，忽略和自定义)。
如果信号的处理动作是用户自定义函数,在信号递达时就调用这个函数,这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的,处理过程比较复杂,举例如下: 用户程序注册了SIGQUIT信号的处理函数sighandler。 当前正在执行main函数,这时发生中断或异常切换到内核态。 在中断处理完毕后要返回用户态的main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。 内核决定返回用户态后不是恢复main函数的上下文继续执行,而是执行sighandler函 数,sighandler和main函数使用不同的堆栈空间,它们之间不存在调用和被调用的关系,是 两个独立的控制流程。 sighandler函数返回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,这次再返回用户态就是恢复main函数的上下文继续执行了。
信号捕捉示意图：
精简图：
为什么一定要切换成用户态才能执行信号的自定义捕捉方法呢？
信号的自定义捕捉方法是用户的代码和数据，操作系统（内核态）理论上是可以直接执行用户的代码的，但是因为操作系统的权限很大，不相信任何用户，不会去执行用户的代码，比如说如果在信号的自定义捕捉函数有rm -rf /，强制删除根目录，后果将不堪设想。操作系统为了防止执行恶意代码，不以内核态执行信号的捕捉函数，而是切换到用户态执行。
sigaction函数
#include <signal.h>
原型：
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *ocat);
功能：
信号自定义捕捉
返回值：
调用成功返回0.出错返回-1.
- sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。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。
sigaction结构体：
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int);
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
void (*sa_restorer)(void);
};
- 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。
- 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。
测试代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
void handler(int signo)
{
printf("get a %d signal\n", signo);
}
int main()
{
struct sigaction act;
memset(&act, 0, sizeof(act));
act.sa_handler = handler;
sigaction(2, &act, NULL);
while(1)
{
printf("hello world\n");
sleep(1);
}
return 0;
}
运行结果：
[cwx@VM-20-16-centos signal]$ ./mytest
hello world
hello world
^Cget a 2 signal
hello world
可重入函数
- main函数调用insert函数向一个链表head中插入节点node1，插入操作分为两步，刚做完第一步的时候，因为硬件中断使进程切换到内核，再次回用户态之前检查到有信号待处理，于是切换到sighandler函数，sighandler也调用insert函数向同一个链表head中插入节点node2，插入操作的两步都做完之后从sighandler返回内核态，再次回到用户态就从main函数调用的insert函数中继续往下执行，先前做第一步之后被打断，现在继续做完第二步。结果是main函数和sighandler先后向链表中插入两个节点，而最只有一个节点真正插入链表中。
- insert函数被不同的控制流程调用，有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数，这称
为重入，insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错乱，像这样的函数称为不可重入函数，反之，如果一个函数只访问自己的局部变量或参数，则称为可重入(Reentrant) 函数。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的:
- 调用了malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
- 调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。
volatile关键字
请看以下这个程序：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
int flag = 0;
void handler(int signo){
flag = 1;
printf("get a signo: %d, flag 0 to 1\n", signo);
}
int main()
{
signal(2, handler);
while(!flag);
printf("process normal quit..\n");
return 0;
}
运行结果：
[cwx@VM-20-16-centos volatile]$ ./test_volatile
^Cget a signo: 2, flag 0 to 1
process normal quit..
程序对2号信号进行捕捉，键入 CTRL-C ，2号信号被捕捉，执行自定义动作，修改 flag＝1，while 条件不满足，退出循环，进程退出。
GCC优化
- O1优化会消耗少多的编译时间，它主要对代码的分支，常量以及表达式等进行优化。
- O2会尝试更多的寄存器级的优化以及指令级的优化，它会在编译期间占用更多的内存和编译时间。
- O3在O2的基础上进行更多的优化，例如使用伪寄存器网络，普通函数的内联，以及针对循环的更多优化。
我们对之前的程序进行优化：
Makefile文件：
test_volatile:test_volatile.c
gcc -o $@ $^ -O3
.PHONY:clean
clean:
rm -rf test_volatile
运行结果：
[cwx@VM-20-16-centos volatile]$ make
gcc -o test_volatile test_volatile.c -O3
[cwx@VM-20-16-centos volatile]$ ./test_volatile
^Cget a signo: 2, flag 0 to 1
^Cget a signo: 2, flag 0 to 1
^Cget a signo: 2, flag 0 to 1
^Cget a signo: 2, flag 0 to 1
我们会发现键入 CTRL-C进程并不会退出，但是理论上flag变量已经被由0置1了，这是为什么？
while 循环检查的flag，并不是内存中最新的flag，这就存在了数据二异性的问题。 while 检测的flag其实已经因为优化，被放在了CPU寄存器当中。这就需要volatile关键字解决这个问题：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
volatile int flag = 0; // 保持内存的可见性
void handler(int signo){
flag = 1;
printf("get a signo: %d, flag 0 to 1\n", signo);
}
int main()
{
signal(2, handler);
while(!flag);
printf("process normal quit..\n");
return 0;
}
运行结果：
[cwx@VM-20-16-centos volatile]$ ./test_volatile
^Cget a signo: 2, flag 0 to 1
process normal quit..
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。