ULK笔记 -- 信号 [复制链接]

信号的角色

• 信号作用
  •   通知进程某个事件发生了
  •   使进程执行信号处理函数
• 特点：
  •   普通信号和实时信号：
    •    0：不是有效信号，只用于检查是当前进程否有发送信号的权限，并不真正发送。也就无所无处理了
    •    1 - 32: 普通信号，按位存储。当多次发送某个信号，而且来不及处理时，只记录一个
    •    32 - 64：实时信号，列队存储。相同信号，可以发送多个。
  •   信号可阻塞：不接受某个信号。
    •    要处理某个信号前，先阻塞自身，直到处理结束。这样使信号处理函数不必具有可重入性(因为用户可以设定信号处理函数，不能要求太高)
  •   只能在内核态向用户态切换时，检查并处理信号。
    •    即中断或异常处理结束时，而且没有嵌套KCP（可以检查保存的cs寄存器的权限位）。

• 收到信号的动作
  •   忽略该信号
  •   默认处理
    •    终止进程、dump(终止，并产生core文件)
    •    忽略
      •     最终是否忽略的条件：
        •      进程没有被trace
        •      没有阻塞该信号
        •      显式指明忽略，或默认处理是忽略
    •    停止、继续
  •   被指定的信号处理函数捕获
  •   SIGKILL、SIGSTOP永远不能被忽略、捕获或阻塞，只能用默认处理。
    •    致命信号：默认处理是终止进程，而且不能被捕获的信号（例如SIGKILL）。
• 多线程程序中的信号
  •   共享：
    •    信号处理函数共享
    •    致命信号杀死所有线程(不论是发给某个线程, 还是发给整个进程。)
  •   不共享：
    •    悬挂信号，信号阻塞位 不共享。
    •    信号最终只送到某一个线程(即使是发给整个进程的，也会选择一个线程接收，接收线程修改共享的数据结构)

• 数据结构：pd里和信号相关的域：（pd可以是LWP）
  •   悬挂信号：
    •    LWP私有的悬挂信号：pending（struct sigpending）
      •     列队头，struct sigpending（含内嵌链表）：
        •      信号悬挂位：signal（sigset_t），那类信号已经到达了。
      •     信号列队节点 struct sigqueue（含内嵌链表）：
        •      互斥锁
        •      信号的信息：info （siginfo_t）
          •       谁（哪些函数、模块）发出的信号: si_code
            •        系统调用：发给进程（SI_USER）;  发给线程（SI_TKILL）
            •        普通的kernel函数：SI_KERNEL
            •        定时器发出的：SI_TIMER
            •        I/O完成后发出的：SI_SYNCIO
          •       产生该信号时的错误值:  si_errno（一般程序出错后，都会设置错误值，然后给自己信号）。若为零，说明没有错误。
          •       信号值：si_signo
          •       存储与信号相关的数据：si_fields （union）
        •      flags: （列队节点的属性）
        •      进程的用户：  user （struct user_struct）
    •    整个进程共享的悬挂信号：signal （struct signal_struct - 信号描述符）
      •     计数：引用计数、活着的线程数
      •     悬挂信号: shared_pending（struct sigpending）
      •     停止、终止整个线程组，选择接收线程需要的统计数据。
      •     等待该进程死亡的等待列队：wait_chldexit
  •   信号阻塞：阻塞 - 发送信号时会挂上列队，但处理信号时不处理。
    •    信号阻塞位：blocked（sigset_t）
    •    实时信号阻塞位：real_blocked （sigset_t）
  •   信号处理函数相关：
    •    一组信号处理函数：sighand （struct sighand_sruct）
      •     引用计数 count
      •     互斥锁 （锁：信号描述符和信号处理描述符）
      •     64元素数组action （struct k_sigaction）
        •      信号处理函数sa_handler
          •       SIG_DFL（0）: 默认处理
          •       SIG_IGN（1）: 显式忽略
          •       其他：信号处理的函数指针
        •      处理这个信号时要阻塞的信号：sa_mask
        •      怎么处理信号的flag: sa_flags
          •       是否给父进程发SIGCHLD:
            •        SA_NOCLDSTOP：指明儿子停止时不要给自己发SIGCHLD，儿子检查该位
            •        SA_NOCLDWAIT: 子进程终止时，不僵尸（FIXME: ：不给自己发SIGCHLD？）自己不关心儿子的僵尸状态。
          •       信号处理函数相关的：
            •        SA_SIGINFO：给信号处理函数的附加信息
            •        SA_ONSTACK：信号处理函数用可选栈
          •       执行信号处理前后相关的：
            •        SA_NODEFER，SA_NOMASK：执行信号处理时，不阻塞自己
            •        SA_RESETHAND， SA_ONESHOT：执行完信号处理，恢复默认处理
          •       阻塞时被信号唤醒的系统调用：
            •        SA_RESTART：重新启动被信号打断的系统调用
    •    信号处理用的可选栈的地址：sas_ss_sp （ulong）
    •    栈长度: sas_ss_size （size_t）
  •   设备驱动阻塞信号的动作相关：
    •    设备驱动用的回调函数，用来阻塞信号：notifier （int （*）（void*））
    •    通用指针，作为函数参数: notifier_data （void*）
    •    设备驱动的信号阻塞位：notifier_mask （sigset_t *）

• 数据结构的操作函数
  •   sigset_t的位操作
    •    指定的一个、几个位置0， 置1
    •    设置低32位，高32位都为0或1
  •   检查进程的悬挂信号
    •    检查TIF_SIGPENDING标志位
    •    根据有无未阻塞的悬挂信号（共享的和私有的），设置TIF_SIGPENDING
  •   删除信号
    •    从信号列队删除信号（mask指定删除哪几个，或都删除）
    •    删除整个进程的信号（两个列队）

信号产生

• 给线程发信号
  •   内核函数选择：
    •    是否有额外信息：siginfo_t
    •    是否是不能阻塞，不能忽略的信号
    •    通过pid发送: sys_tkill， sys_tgkill （系统调用tkill， tgkill的处理函数）
  •   最终调用specific_end_sig_info（）完成
    •    参数：信号值（sig）， siginfo_t的指针（info）， LWP的进程描述符的指针（t）
      •     siginfo_t == 0：用户模式进程发的
      •     siginfo_t == 1：内核发的
      •     siginfo_t == 2：内核发的，而且是 SIGSTOP或SIGKILL
    •    步骤：（执行该函数前提是：禁中断，锁上进程的信号互斥锁）
      •     检查是否忽略 （忽略：返0）；如果是普通信号，检查是否已存在 （已存在，返0）
      •     调用send_signal插入信号。send_signal: 参数比specific_end_sig_info多了一个列队指针
        •      info=2（sig=SIGSTOP或SIGKILL），或者进程悬挂的信号过多，或者没有内存分配列队节点
          •       如果sig<=32（普通信号），或 info==0， 或 info==1 或 info->si_code==SI_USER（kill发的）; 设置sigset， 返回0；
          •       否则返回 -EAGAIN（错误码）。
        •      否则，分配节点，设置节点内数据，挂上私有悬挂信号列队
      •     如果成功插入，且未被阻塞，调signal_wake_up通知进程。 signal_wake_up:
        •      try_wake_up（）: 如果目标进程在可中断睡眠，或停止状态，就可被唤醒
        •      如果上步返0，说明处于运行状态。
          •       如果正在某个CPU运行，给那个CPU发中断消息，强制调度。
          •       否则，不用管。（那个CPU调度到目标进程时，自然会检查信号）
      •     返回1

• 给进程（线程组）发信号
  •   内核函数选择：
    •    给进程、进程组发信号
    •    是否有额外信息：siginfo_t
  •   最终调用group_send_sig_info（）完成
    •    参数：信号值， siginfo_t， LWP的进程描述符
    •    返回值：成功返0， 失败返回错误值
    •    步骤：
      •     检查信号的值和发送者的权限（以下检查条件满足一个就可）。
        •      发送进程的用户有权限
        •      如果信号是SIGCOUT，目的进程与发送进程属于同一个会话
        •      发送进程和目的进程属于同一个用户
      •     锁互斥锁，禁中断
      •     调用handle_stop_signal（）解决信号冲突（stop信号（SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTOUT）和contine信号（SIGOUT）冲突）
        •      如果进程已被杀死，什么都不用做。
        •      从线程组所有列队中删除与新来的信号冲突的信号。
          •       如果新来的是SIGCONT，要唤醒所有线程（try_wake_up）
      •     检查ingnore，是否是已经存在的普通信号。如果满足一个，返0
      •     __group_complete_signal（）选择一个线程接收，并唤醒它
        •      选择条件（都满足）：
          •       线程未阻塞该信号
          •       线程没有进入僵尸，退出，停止，追踪状态。没有要被kill
          •       要么正占有CPU，要么TIF_SIGPENDING位为0 （都说明这个线程没有信号要处理）
        •      选择顺序：
          •       如果参数pd满足，选择参数线程
          •       否则，从最近一次收到信号的进程开始。沿环链表寻找
        •     选到何时线程：
          •       致命信号：杀死所有线程（直接处理）
          •       否则，signal_wake_up（）唤醒找到的合适进程。
      •     打开互斥锁，使能中断

信号的传递

• 传递 do_signal（）: 处理所有的非阻塞悬挂信号
  •   参数：
    •    regs: 内核栈内存放用户模式寄存器的地址
    •    oldset: 传址返回进程的阻塞信号
  •   返回值：
    •    1：还有信号（本次没处理，或处理完一个捕获的就返回了）。
    •    0：没有可处理信号了
  •   步骤：
    •    检查是不是要恢复到用户模式（regs里存的cs的权限==3）
    •    不断循环摘除非阻塞的悬挂信号，直到没有了或碰到一个捕获的信号
      •     检查该进程有没有被trace，如果有，调用notify_parent_cldstop唤醒debugger；该进程再次被调度后，continue。
        •      notify_parent_cldstop的动作：
          •       本身进入traced状态（停止状态的一种）
          •       唤醒父进程，调度。
      •     默认忽略的：continue （显示忽略的根本就没有实际发送）
      •     默认停止的：睡眠，调度，continue
        •      如果是孤儿进程，忽略非SIGSTOP的“默认停止”信号（没有其他原因的停止）
        •      进程睡眠动作：调用do_signal_stop（），当自己是第一个要停止的线程时才执行具体动作
          •       设置group_stop_count位正值，唤醒所有线程
            •        线程醒后检查该值，停止自己
          •       如果父进程没有SA_NOCLDSTOP标志，给父进程发SIGCHLD信号
      •     默认是dump的，生成core文件，结束整个进程（do_group_exit）
      •     捕获的：break; 处理捕获的信号handle_signal（每次捕获一个信号并处理后就退出循环。这样每一次do_signal处理一个捕获的信号，使实时信号可以按照合适的顺序来处理）
        •      模式切换：
          •       handler是在用户空间定义并执行的。
          •       执行前必须切到用户模式，执行后要切回内核模式。
          •       切回内核模式时，内核栈就被清空。所以必须在用户栈保存原来的内核栈。
        •      执行流程:
          •       在用户空间建立内核栈帧（setup_frame），设置栈内iret恢复寄存器（cs eip ss esp）为handle的环境
            •        栈帧：
              •         返回地址：__kernel_sigreturn标签
              •         信号处理的参数：信号值
              •         内核栈保存的硬件寄存器、和其他信息
              •         帧的签名，以使调试器识别出该栈帧（2.6内核）
            •        修改内核栈内保存的寄存器，使之iret返回时，进入新建的栈帧
            •        修改阻塞位，计算pending
          •       do_signal返回后，内核切回到用户模式后，开始执行信号handle
          •       信号handle栈帧的返回地址（__kernel_sigreturn）是: __NR_sigreturn号系统调用。
            •        系统调用的handle是：从用户栈中读数据，
              •         恢复信号阻塞位（并重新计算pending），
              •         恢复内核栈（信号处理之前的用户寄存器）。
              •         异常处理完后，恢复到用户模式，正好是信号处理前的状态。
    •    检查有没有捕获信号检查有没有被信号打断阻塞的系统调用，设置重发。
      •     附加说明：
        •      处理中断前期：SAVE_ALL之前，先把中断、异常、系统调用号的值编码后入栈。SAVE_ALL的寄存器与该值一起组成regs结构（该值的位置就是：regs->orig_eax）。编码方式：
        •      中断（包含以上三种情况）处理完成后。返回值放在：regs->eax
      •     do_signal检查并重发：
        •      检查时机：在处理准备处理捕获信号前，或do_signal结束之前（没有捕获信号时）
        •      检查内容：
          •       检查处理完的是否是异常：regs->orig_eax >=0。
          •       检查处理后的返回值
            •        -EINTR：表示不重发，该值直接返回给用户模式
            •        -ERESTART...: 表示异常处理被信号打断，需要根据情况决定是否重发。
        •      设置重发：
          •       内核栈内保存的用户寄存器，指向刚刚过去的int 0x80或sysenter: regs->eip -= 2 （（FIXME: sysenter，原书为sysreturn是不是有错？））
            •        这样切换到用户模式后，马上又会int 0x80重发系统调用。
          •       调整系统调用参数重发：regs->eax = __NR_restart_syscall，仅用于时间相关的系统调用。例如nanosleep
            •        nanosleep的服务例程会在thread_info->restart_block设定一个特殊函数，它用来调整参数，调用nanosleep原来的服务例程
            •        __NR_restart_syscall，的服务例程仅是执行thread_info->restart_block。

信号相关的系统调用

• 发信号
  •   给进程发信号：kill （pid）
    •    参数：   指定进程（pid>0），当前进程（0），所有进程（-1），当前进程同组的所有进程（pid<-1）
    •    实现：
      •     某个进程: 用kill_proc_info，
      •     一组进程: kill_pg_info，
      •     系统内所有进程:一次次用group_send_sig_info给所有进程发。
  •   给线程发信号（tkill， tgkill）
    •    tgkill指定：tgid组内的线程pid。防止当线程不断的创建，删除时，某个pid不同时出现在不同的线程组中（发送错误）

• 改变action、阻塞位
  • 改变sigaction （sigaction（sig， act， old_act））
    •   SIGKILL，SIGSTOP不允许该
    •   最终改成ignore（不论是默认还是显式指定ignore），放弃所有悬挂信号
  • 修改阻塞位sigprocmask，
    •   只能修改非实信号
    • 修改完了要重新计算pending位

• 检查阻塞的悬挂：sigpending（）

• 睡眠等待信号：sigsuspend。 允许合适的信号后；睡眠，不断被唤醒，睡眠。直到有捕获的信号
  •   do_signal返回1后，该函数返回。
    •    do_signal收到一个捕获信号时，返回1。
    •    不是在返回用户模式时，处理新哈，也返回1（有错误发生）。
    •    其他改变进程状态的信号，不起作用。
  •   如果分成改block位，sleep两个系统调用。中间可能会有信号发过来
    •    可能放行一个信号，（处理信号），然后睡眠（打断睡眠的信号已经处理了，没有信号在唤醒进程）

• 实时信号：相同功能的加上tr_前缀
  •   rt_sigqueueinfo（）
    •    发送实时信号。
  •   rt_sigtimedwait （）
    •    拆除阻塞的悬挂信号，不处理它，仅返回值。
    •    如果没有，等一会儿