浅谈linux 信号处理机制

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void haha()
{
    printf("你受骗了！就知道你不会终止。\n");
}
int main()
{
    printf("你知道怎样终止这个程序吗？\n");
    while(1)
    {
        signal(SIGINT, haha)||signal(SIGQUIT, haha)||signal(SIGTSTP, haha);
    }
    return 0;
}

在这个程序中我仅仅屏蔽改变了 SIGINT 、SIGQUIT 、SIGTSTP这三个信号的响应效果。

其中 SIGINT 是键盘中的 ctrl + c 组合键的信号。

SIGQUIT 是键盘中的 ctrl + \ 组合键的信号。

SIGTSTP 是键盘中的 ctrl + z 组合键的信号。

signal 函数是当接收第一个参数的信号时，执行第二个参数所指函数的代码。     

所以当你发送上面这三个信号给这个程序时，都会执行 haha 这个函数。

信号的分发和处理是在内核态进行的，但是从上面的例子程序可以看出，信号的处理函数可能是在用户态。在这种情况下，它们是怎样进行交互的呢？信号又是怎样控制进程的呢？

当内核给进程发送一个信号时，其实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。（这个进程表项就是 PCB ——进程控制块，linux的进程控制块为一个由 task_struct 这个结构体所定义的数据结构，这个结构体在 /include/linux/sched.h 中。）

这里需要说明的是，如果信号发送给一个正在睡眠的进程，那么要看进程进入睡眠的优先级。

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。这个很重要，因为进程是通过上下文来检测是否收到信号的。具体地讲：一个进程在即将从内核态返回到用户态时；或者在进程要进入或离开一个适当的地调度优先级睡眠状态时，它会检测自己的 PCB 表。这样进程就知道是否有给它的信号了。

当然正如上面说的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会遍历 PCB表，才会处理信号。    

补充说一下用户态和内核态：当一个进程执行系统调用进入内核代码中执行时，我们就称这个进程处在内核运行态（简称内核态），每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时，则称其所处的是用户态，当然进程也有自己的用户栈。

现在我们来分析一下上面的代码：                    

 

首先在调用 signal 系统调用时该进程处在内核态，而我们的 haha 函数则处在用户态空间，那么内核态就在用户空间为 haha 函数开辟一个临时的用户栈，首先将 signal 的返回地址进行压栈，然后在进行相应的进栈操作后执行 haha 函数，由于信号是异步处理的，所以临时开辟的用户栈空间和进程本身的用户栈空间并不冲突。           

内核处理一个进程收到的软中断信号是在该进程的上下文中，因此，进程必须处于运行状态。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，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，接着原来的地方继续运行。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）。

在信号处理方法中有几点需要特别注意：（BSD系统除外）

• 在一些系统中，当一个进程处理完中断信号返回用户态之前，内核会清除用户区中设定的对该信号处理函数的地址，也即是当下一次进程对该信号的处理方法又改为默认值，这是为了消除在下一次信号到来之前再次使用 signal 系统调用会使得进程在调用 signal 之前又得到该信号而导致退出。                      
• 如果要捕捉的信号发生于进程正在一个系统调用中时，并且该进程睡眠在可中断的优先级上（若系统调用未睡眠而是在运行，那么必须等该系统调用运行完毕后再处理信号），此时该信号的发生使进程通过 longjmp 函数跳出当前的睡眠状态，返回用户态执行该信号的处理函数。当从我们的信号处理函数返回时，进程就像从系统调用返回一样，但返回了一个错误标志用来指出该次系统调用曾经被中断过。
• 若进程睡眠在可中断的优先级上，则当它处理一个要忽略的信号时，该进程被唤醒，但不进行 longjmp 跳转，通常情况下是继续处于睡眠状态，此时用户感觉不到进程曾经被唤醒过。因此当我们使用 pause、sleep 等函数从挂起状态返回的信号必须要有信号处理函数。
• 内核终止子进程的信号处理方法和其他信号有所不同。当进程退出时，内核会向父进程发一个信号（SIGCLD，SIGCLD信号的作用是唤醒一个睡眠在可被中断优先级上的进程），缺省情况下，父进程忽略该信号，但如果父进程需要获取子进程终止的状态就应该用 signal 函数为该信号（SIGCLD）设置信号处理函数，在信号处理函数中调用 wait 函数进行等待。因为我们不知道子进程什么时候终止，但在信号处理函数中调用 wait 函数我们就能保证在子进程终止前，wait 函数会使父进程挂起休眠。