Chapter 8.7 - signal.c 程序
Created by : Mr Dk.
2019 / 08 / 20 11:58
Ningbo, Zhejiang, China
8.7 signal.c 程序
8.7.1 功能描述
涉及内核中所有有关信号处理的函数。
UNIX 类系统中，信号是一种软件中断处理机制，异步处理事件。信号是一个整数值，除了指明信号类别，不携带任何信息。早期 UNIX 内核中信号处理方法并不是那么的可靠，可能导致信号丢失。POSIX 提供了一种可靠处理信号的方法。为保持兼容性，Linux 内核同时提供了两种处理信号的方法。
8.7.1.1 Linux 中的信号
用一个 unsigned long (32-bit) 的 bitmap 来表示不同的信号
- 系统中最多可以有 32 个不同的信号
- 其中 20 种是 POSIX.1 标准中规定的信号
- 另两种是 Linux 专用信号
SIGUNUSED(未定义) 和SIGSTKFLT(堆栈错)
进程收到信号时，可以有三种处理方式：
- 忽略信号：但
SIGKILL和SIGSTOP忽略不掉 - 捕获信号：告诉内核，在指定的信号发生时，调用自定义的信号处理函数
- 默认操作：由系统响应的默认信号处理程序进行处理
8.7.1.2 信号处理的实现
一大堆相关的系统调用：
sys_ssetmake()：设置信号屏蔽码sys_sgetmask()：获取信号屏蔽码sys_signal()：信号处理，即传统的signal()sys_sigaction()：可靠的信号处理函数sigaction()
系统调用中断处理程序中，处理信号的程序 do_signal()。以上，signal() 和 sigaction() 的功能比较类似，都用于更改信号的原处理句柄。signal() 是内核处理信号的传统方式，在某些特殊时刻会导致信号丢失。这两个系统调用会在进程 PCB 的 sigaction[] 结构体数组中，将自定义信号处理函数的指针和相关属性记录到结构体中。当内核 退出 系统调用和某些中断过程时，会检测当前进程是否收到信号。若收到了信号，那么就会根据 sigaction[] 中对应的结构项执行信号处理服务程序。
signal() 函数
两个参数：
- 要捕获的信号值：
int signr - 新的信号处理函数指针：
void (*handler)(int)
函数指针可以是用户定义的信号处理函数，也可以是内核提供的特定函数指针。
#define SIG_DFL ((void (*)(int))0) // 默认操作
#define SIG_IGN ((void (*)(int))1) // 忽略
0 和 1 是实际程序中不可能出现的函数地址，所以 signal() 函数就可以根据这两个值来决定对信号进行默认处理或忽略。SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被忽略。
程序刚开始时，系统设置所有的信号处理方式为 SIG_DFL 或 SIG_IGN。另外，当程序 fork 一个子进程时，子进程会 继承 父进程的信号处理方式 (屏蔽码)。在父进程对信号的设置和处理方式，在子进程中同样有效。
signal() 函数不可靠的原因：信号发生后，系统会将信号处理函数重新设置为默认值。因此，在自定义的信号处理函数中，首先需要再一次设置信号处理函数。在此之前，如果又来了一个信号，将会被丢失。
void sig_handler(int signr)
{
// 信号发生，调用信号处理函数
// 系统将该信号的处理函数重置为默认
// 如果想要继续捕获该信号，需要再一次设置处理函数
signal(SIGINT, sig_handler); // 在此语句之前，若再来一个信号，将会被丢失
}
main()
{
signal(SIGINT, sig_handler); // 第一次设置信号处理函数
...
}
sigaction() 函数
可靠地内核处理信号机制。
int sigaction(int sig, struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
很显然，就是将 act 对应的结构放置到进程 PCB 的 sigaction[] 中，并返回数组中原来的 sigaction 结构。该结构定义如下：
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int);
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
void (*sa_restorer)(void);
}
其中，sa_mask 是一个暂时性的信号屏蔽集合？
- 在 sa_handler 被调用前，sa_mask 被加入进程 PCB 的信号屏蔽集合中
- 在 sa_handler 被调用后，系统会恢复进程原来的信号屏蔽 bitmap
在处理一指定信号期间，能确保阻塞同一个信号而不让其丢失，直到此次处理完毕？？？
一个信号被阻塞期间而多次发生时，通常只保存一个样例，即对于阻塞的多个同一信号，只会再调用一次信号处理句柄。修改了一个信号处理句柄后，除非再次更改，否则一直使用该处理句柄；而 signal() 函数会在处理句柄结束后，恢复成信号的默认处理句柄。sa_flags 用于指定处理信号的选项，改变信号处理的默认流程。
#define SA_NOCLDSTOP 1
#define SA_INTERRUPT 0x20000000
#define SA_NO_MASK 0x40000000
#define SA_ONESHOT 0x80000000
sa_restorer 是一个函数指针，在编译链接时由 Libc 函数库提供。在信号处理函数结束后清理用户态堆栈，恢复系统调用返回值。
do_signal() 函数
在进程每次从系统调用中断、时钟中断等退出时，若进程已收到信号，则把信号的处理句柄插入到 用户程序堆栈 中。这样，中断返回后会立刻执行信号处理程序，再返回用户程序。处理过程如图所示：
如何把信号处理句柄塞进用户态堆栈呢？
- 函数首先处理两个默认信号句柄
- 若用户自定义了处理句柄
- 将内核态堆栈中返回到原用户程序的 eip 指针保存为 old_eip
- 将 eip 替换为自定义句柄的入口指针
- 将内核态堆栈中的 esp 指针减小 - 使用户态堆栈向下扩展
- 将内核态堆栈上的一些寄存器内容复制到用户态堆栈上
- old_eip：使信号句柄执行完后可以返回用户程序继续执行
- eax：本来存放着系统调用返回值，但在信号处理句柄中可能会使用到 eax - 所以将 eax 保存在堆栈上
- edx、ecx、eflags 也需要被恢复
- 可能有进程的阻塞码
- 此外，信号处理函数还需要信号值 signr 作为参数
这样，从中断返回后，程序首先转移到信号处理句柄中执行。执行完毕后再返回到用户程序。
sa_restorer() 函数
由函数库提供，负责清理信号处理程序执行完毕后，恢复用户程序的寄存器值和系统调用返回值。
.globl ____sig_restore
.globl ____masksig_restore
# 没有 blocked
____sig_restore:
addl $4, %esp # 丢弃堆栈上的信号值 signr
popl %eax
popl %ecx
popl %edx
popfl
ret
# 有 blocked
____masksig_restore:
addl $4, %esp # 丢弃堆栈上的信号值 signr
call ____ssetmask
addl $4, %esp # 丢弃堆栈上的 blocked
popl %eax
popl $ecx
popl %edx
popfl
ret
综上，do_signal() 执行完后，sys_call.s 将进程内核态堆栈上 eip 以下的值全部弹出。执行 IRET 指令后，弹出用户态堆栈信息，返回用户特权级执行程序。此时，eip 已经被改为信号处理句柄，所以立即执行信号处理程序。处理完后，通过 RET 指令，CPU 将控制权移交 sa_restorer()，该函数清理用户态堆栈，使堆栈看起来像没有运行过信号处理程序一样。完成后，再通过 RET 指令，弹出 old_eip，恢复原用户程序的执行。用户态堆栈的数据如下图所示：
8.7.1.3 进程挂起
该程序中还包含一个 sys_sigsuspend() 的系统调用实现函数
- 临时把进程的信号屏蔽码替换成参数中给定的集合
- 然后挂起进程，直到收到一个信号为止
int sys_sigsuspend(int restart, unsigned long old_mask, unsigned long set);
restart 为重启标志：
- 0 - 当前的屏蔽码保存在 oldmask 中，阻塞信号，直到收到任何一个信号
- 非 0 - 从保存的 oldmask 中恢复进程的原屏蔽码
实际调用时，通过函数库中的形式调用：
int sigsuspend(unsigned long set);
由库函数来维护前两个参数：
- 第一次调用系统调用时，restart 为 0，保存原来的 blocked 为 old_mask
- 第二次调用时，恢复进程保存在 old_mask 中的屏蔽码
8.7.1.4 被信号中断的系统调用的重新启动
慢速系统调用。被阻塞期间，收到了一个信号。在处理信号时，引入了对某些中断系统调用重新启动的功能：
ioctl、read、write对低速设备操作时，才会被信号中断wait和waitpid在捕捉到信号时总是会被中断
在 Linux 0.12 内核中，在 sigaction 结构体中可以设置是否重新启动被中断的系统调用：
- 如果设置
SA_INTERRUPT标志 - 且信号不是
SIGCONT、SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN和SIGTTOU
那么在系统调用执行时，收到信号就会被中断，否则内核自动重新执行被中断的系统调用。在目前的 Linux 系统中，SA_INTERRUPT 已经弃置不用，使用意义相反的 SA_RESTART。
8.7.2 代码注释
与信号屏蔽相关的系统调用
// 获取当前任务的信号屏蔽 bitmap (signal-get-mask)
int sys_sgetmask()
{
return current->blocked
}
// 设置新的信号屏蔽 bitmap，返回原信号屏蔽 bitmap
// SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被屏蔽
int sys_ssetmask(int newmask)
{
int old = current->blocked;
currrent->blocked = newmask & ~(1<<(SIGKILL-1)) & ~(1<<(SIGSTOP-1));
return old;
}
// 取得进程收到的但被屏蔽的信号
// fill in "set" with signals pending but blocked
// set 应当是一个用户空间指针，所以需要验证存储空间
int sys_sigpending(sigset_t *set)
{
verify_area(set, 4); // 4B
put_fs_long(current->blocked & current->signal, (unsigned long *)set);
return 0;
}
// 更换新的信号屏蔽码，并等待信号到来
// restart 不为 0，则重新运行程序 - 恢复 old_mask 的原进程屏蔽码
// restart 为 0，则是第一次调用 - 保存进程当前屏蔽码到 old_mask，替换新的屏蔽码
int sys_sigsuspend(int restart, unsigned long old_mask, unsigned long set)
{
extern int sys_pause(void);
if (restart) {
// restarting system call
current->blocked = old_mask;
return -EINTR; // 系统调用被信号中断
}
*(&restart) = 1;
*(&old_mask) = current->blocked;
current->blocked = set;
(void) sys_pause(); // 等待信号到来
return -ERESTARTNOINTR; // 处理信号，并返回本系统调用继续运行 - 不中断
}
sigaction 数据在内核空间和用户空间之间的互相拷贝
fs 数据段表示用户空间。
static inline void save_old(char *from, char *to)
{
int i;
verify_area(to, sizeof(struct sigaction)); // 验证用户空间内存是否够大
for (i = 0; i < sizeof(struct sigaction); i++) {
put_fs_byte(*from, to);
from++;
to++;
}
}
static inline void get_new(char *from, char *to)
{
int i;
for (i = 0; i < sizeof(struct sigaction); i++)
*(to++) = get_fs_byte(from++);
}
signal() 系统调用
为指定的信号安装新的信号句柄：
- 可以是用户指定的函数
- 也可以是
SIG_DFL或SIG_IGN
// 参数 restorer 由 Libc 库提供
// 返回原信号句柄
int sys_signal(int signum, long handler, long restorer)
{
struct sigaction tmp;
// 验证信号在有效范围内 (1-32)
// 不能是信号 SIGKILL 和 SIGSTOP - 这两个信号不能被进程捕获
if (signum<1 || signum>32 || signum==SIGKILL || signum==SIGSTOP)
return -EINVAL;
// 构造 sigaction 结构体内容
tmp.sa_handler = (void (*)(int)) handler;
tmp.sa_mask = 0;
tmp.sa_flags = SA_ONESHOT | SA_NOMASK; // 句柄使用一次后恢复默认
tmp.sa_restorer = (void (*)(void)) restorer;
// 替换 sigaction 结构体
handler = (long) current->sigaction[signum-1].sa_handler;
current->sigaction[signum-1] = tmp;
return handler;
}
sigaction() 系统调用
改变进程在收到一个信号时的操作 - SIGKILL 除外
- 新 action 不为空，则新 action 被安装
- oldaction 不为空，则原 action 被保存到 oldaction 中
int sys_sigaction(int signum, const struct sigaction *action, struct sigaction *oldaction)
{
struct sigaction tmp;
// 验证信号值在有效范围内 (1-32)
// 信号不得是 SIGKILL 和 SIGSTOP
if (signum<1 || signum>32 || signum==SIGKILL || signum==SIGSTOP)
return -EINVAL;
// 旧的 sigaction 结构体
tmp = current->sigaction[signum-1];
// 从用户空间中拷贝新的 sigaction 结构
get_new((char *)action, (char *) (signum - 1 + current->sigaction));
if (oldaction)
save_old((char *) &tmp, (char *) oldaction);
if (current->sigaction[signum-1].sa_flags & SA_NOMASK)
current->sigaction[signum-1].sa_mask = 0;
else
current->sigaction[signum-1].sa_mask |= (1 << (signum-1)); // ?
return 0;
}
core dump
目前暂未实现。
do_signal() 函数
系统调用中断处理程序中，真正的信号预处理程序：
- 将信号处理句柄插入到用户态堆栈中
- 使系统调用结束后立刻去执行信号处理句柄
- 然后继续执行用户程序
函数的参数在 sys_call.s 中被依次压入内核态堆栈：
- CPU 执行中断指令后，保存的用户态堆栈的 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP
- DS、ES、FS 段寄存器；EAX 寄存器
- EDX、ECX、EBX
- 系统调用返回值 EAX
- 当前信号值 signr
int do_signal(long signr, long eax, long ebx, long ecx, long edx,long orig_eax，
long fs, long es, long ds,
long eip, long cs, long eflags,
unsigned long * esp, long ss)
{
unsigned long sa_handler;
long old_eip = eip; // 用户程序返回地址
struct sigaction * sa = current->sigaction + signr - 1; // current->sigaction[signr-1]
int longs; // 用户态堆栈扩展的长度
unsigned long * tmp_esp;
#ifdef notdef
// printk ...
// debug info
#endif
// 功能号不为 -1，是系统调用
if ((orig_eax != -1) &&
((eax == -ERESTARTSYS) || (eax == -ERESTARTNOINTR))) {
if ((eax == -ERESTARTSYS) &&
((sa->saflags & SA_INTERRUPT) || signr < SIGCONT || signr > SIGTTOU))
// 系统调用返回码是 -ERESTARTSYS (重新启动系统调用)
// 并且 sigaction 中含有标志 SA_INTERRUPT
// 信号不是 SIGCONT、SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU
*(&eax) = -EINTR; // 返回 被信号中断的系统调用
else {
// 返回用户程序时，让程序重新启动被信号中断的系统调用
*(&eax) = orig_eax; // 恢复 eax 中的系统调用功能号
*(&eip) = old_eip -= 2; // 指令指针回调
}
}
sa_handler = (unsigned long) sa->sa_handler;
if (sa_handler == 1) // 信号句柄为 SIG_IGN - 忽略
return (1);
if (!sa_handler) { // 信号句柄为 SIG_DFL - 默认处理
// 根据具体的信号进行分别处理
switch (signr) {
case SIGCONT:
case SIGCHLD:
// 默认忽略
return (1);
case SIGSTOP:
case SIGTSTP:
case SIGTTIN:
case SIGTTOU:
// 当前进程状态置为停止状态
// 若父进程对该进程的 SIGCHLD 信号没有设置处理标志 SA_NOCLDSTOP
// 向父进程发送 SIGCHLD 信号
current->state = TASK_STOPPED;
current->exit_code = signr;
if (!(current->p_pptr->sigaction[SIGCHLD-1].sa_flags & SA_NOCLDSTOP))
current->p_pptr->signal |= (1<<(SIGCHLD-1));
return (1);
case SIGQUIT:
case SIGILL:
case SIGTRAP:
case SIGIOT:
case SIGFPE:
case SIGSEGV:
if (core_dump(signr))
do_exit(signr | 0x80);
default:
do_exit(signr);
}
}
// 句柄只使用一次，则置空
// 目前句柄已经保存在 sa_handler 中
if (sa->sa_flags & SA_ONESHOT)
sa->sa_handler = NULL;
*(&eip) = sa_handler; // 修改 eip 为信号处理句柄
longs = (sa>sa_flags & SA_NOMASK) ? 7 : 8;
*(&esp) -= longs; // 堆栈向下扩展
verify_area(esp, longs * 4);
tmp_esp = esp; // tmp_esp 用作暂时的栈顶指针
put_fs_long((long) sa->sa_restorer, tmp_esp++);
put_fs_long(signr, tmp_esp++);
if (!(sa->sa_flags) & SA_NOMASK)
put_fs_long(current->blocked, tmp_esp++);
put_fs_long(eax, tmp_esp++);
put_fs_long(ecx, tmp_esp++);
put_fs_long(edx, tmp_esp++);
put_fs_long(eflags, tmp_esp++);
put_fs_long(old_eip, tmp_esp++);
current->blocked |= sa->sa_mask;
return (0);
}
8.7.3 其它信息
8.7.3.1 进程信号说明
| Index | Name | Description | Default Operation |
|---|---|---|---|
| 1 | SIGHUP | 当不再有控制终端时产生 | 挂断控制终端或进程 |
| 2 | SIGINT | 键盘中断 - ^C | 终止程序 |
| 3 | SIGQUIT | 键盘退出中断 - ^\ | 程序被终止，产生 core dump 文件 |
| 4 | SIGILL | 非法指令 | 程序被终止，产生 core dump 文件 |
| 5 | SIGTRAP | 调试，跟踪断点 | |
| 6 | SIGABRT | 放弃执行，异常结束 | 程序被终止，产生 core dump 文件 |
| 6 | SIGIOT | 同 SIGABRT | 程序被终止，产生 core dump 文件 |
| 7 | SIGUNUSED | 没有使用 | |
| 8 | SIGFPE | 浮点异常 | 程序被终止，产生 core dump 文件 |
| 9 | SIGKILL | 终止 - 该信号不能被捕获或者忽略 | 程序被终止 |
| 10 | SIGUSR1 | 用户定义的信号 | 进程被终止 |
| 11 | SIGSEGV | 程序引用无效内存 | 程序被终止，产生 core dump 文件 |
| 12 | SIGUSR2 | 用于定义的信号 | 进程被终止 |
| 13 | SIGPIPE | 程序向一个 socket 写时没有读者 | 进程被终止 |
| 14 | SIGALRM | 设定的 alarm 延迟时间到 | 进程被终止 |
| 15 | SIGTERM | 要求程序终止，可以被捕获 | 进程被终止 |
| 16 | SIGSTKFLT | 协处理器堆栈错误 | 进程被终止 |
| 17 | SIGCHLD | 子进程发出，子进程已停止或终止 | 忽略 |
| 18 | SIGCONT | 致使被 SIGSTOP 停止的进程恢复运行 | 恢复进程执行 |
| 19 | SIGSTOP | 停止进程的运行 - 不可被捕获或忽略 | 停止进程运行 |
| 20 | SIGTSTP | 向终端发送停止键序列 | 停止进程运行 |
| 21 | SIGTTIN | 后台进程试图从一个不再被控制的终端上读取数据 | 停止进程运行 |
| 22 | SIGTTOU | 后台进程试图向一个不再被控制的终端上输出数据 | 停止进程运行 |