信号的处理时机(内核态,用户态,如何/为什么相互转换,内核空间,cpu寄存器),信号的处理流程详细介绍+抽象图解

目录

信号的处理时机

引入

思考 -- 什么时候才能算合适的时候呢?

用户态转为内核态

引入

内核地址空间 

引入

思考 -- 进程为什么能切换成内核态呢?

虚拟地址空间

注意点

原理 (总结一下)

为什么+如何进入内核态 

引入

介绍

底层原理(int 80) 

cpu的寄存器

用户级

内核级

如何知道进入了内核态

硬件上

软件上

用户态和内核态的来回切换 

为什么

如何切换

信号的处理流程 

介绍

详细图解

描述 

默认操作

忽略操作

自定义操作

抽象图解 

交叉点处

方向

横线

---

信号的处理时机

引入

• 之前我们说过,信号被os发送到进程,实际上是修改了pending信号集
• 然后进程会在合适的时候处理
• 那究竟什么时候才能算合适的时候呢?

思考 -- 什么时候才能算合适的时候呢?

• 处理信号必然不是我们做的,而是os,因为信号是内核数据
• 那么处理信号时,就得处于内核的范畴,不然怎么访问os的数据
• 也就是处于内核态
• 那么肯定也会存在用户态,和内核态对应,也就存在内核态和用户态的切换
• 那么内核态就拥有三种阶段 -- 刚进入内核态,在内核态执行任务时,准备转为用户态时

那么是哪个阶段开始处理信号的呢?

• 一般是在执行完任务后,内核态准备转为用户态时,会进行信号的处理
• (因为任务肯定第一位嘛,信号的处理又不急于这一时)

用户态转为内核态

引入

• 虽然我们是这样说的 -- 由内核态转为用户态时,就会处理信号
• 但是这个操作我们看不到,怎么知道到底有没有转换呢?
• 说到底,究竟是怎么转换的呢?未免有点太抽象了

内核地址空间 

引入

• 其实并不抽象,所有看起来复杂的行为都是将[底层一些简单的操作]封装而成的
• 比如,可以首先来思考这个问题 -- 进程为什么能切换成内核态呢?

思考 -- 进程为什么能切换成内核态呢?

• 内核态,也就是可以使用os内部的数据/接口

那为什么一个进程,它可以有这样的行为呢?

• 肯定是它此时的权限修改成了os的权限

如何使用os内部的数据/接口呢?

• 要使用这些,必然是和使用普通数据/接口一样,要访问实际的内存的
• 毕竟他们本质没有区别,只是权限不一样
• 而访问内存必须通过虚拟地址空间+页表+MMU实现
• 我们无法直接操作物理内存!!
• 既然可以访问内核数据,那内核肯定也有自己的进程空间+页表

那到底有没有呢?

• 有的!

虚拟地址空间

• 之前学习的地址空间中本身就有1G的空间,是存放内核空间的: 
• 
• 也就是说,我们切换为内核态,依赖的是 -- 进程地址空间有内核空间

注意点

既然有内核空间,自然也有内核级的页表用来映射

但是要注意!!!

每个进程的用户空间,对应的是独立的内存块

难道每个进程拥有的内核空间,它对应的内存也是独立的吗?

• 不会的!
• 内核资源是所有进程共用的,不会让每个进程去瓜分一部分
• [进程的独立性]要求用户空间对应的内存都是独立的,但每个进程可以使用相同的os资源
• 所以,内核级的页表只需要一份(因为对应的物理内存是同一块),它可以被所有进程看到
• 所以,无论进程如何切换,我们看到的都是同一份os资源

原理 (总结一下)

• 进程可以切换为内核态的原因就在于,每个进程中都有内核地址空间
• 只要切换访问位置和访问权限,自然可以通过内核地址空间访问内核数据噜

为什么+如何进入内核态 

引入

知道了进程是可以切换的

那么究竟为什么要切换成内核态,底层又是如何切换的呢?

介绍

• 当我们需要访问内核数据时,就需要进入内核态

• 我们大多都是通过系统调用接口,来使用内核数据的
• 所以,调用系统调用,自动就可以进入内核态(因为之前在使用的时候,并没有什么特殊行为)

• 并且,我们不用把系统调用想的那么神秘,他也只是一个函数而已(只不过非常接近底层)
• 系统调用和使用库函数本质上没有区别,都是在进程自己的地址空间内进行跳转的

 

底层原理(int 80) 

• 在每个系统调用函数开始前,都需要先切换成内核态
• 它通过int(interrupt 的缩写) 80 这个汇编指令,来切换成内核态
• 而汇编的底层是通过cpu的寄存器实现的

cpu的寄存器

实际上存在两套寄存器,用户级的和内核级的

用户级

• 实际上,我们将[平时写的简单代码]转换为汇编指令,里面用到的eax等等,就是用户级的寄存器

内核级

• 存放与权限/控制相关数据的寄存器,我们看不见

• 内核级寄存器里面有一个CR3
• 它用来表示当前cpu的访问权限 -- 内核/用户
• 所以实际上int 80汇编指令,就是通过修改CR3寄存器的数据,来进入内核态

 

如何知道进入了内核态

硬件上

通过CR3寄存器的数据得知的(寄存器是硬件的一部分)

软件上

• 其实我们已经在上面介绍了,只要检测执行的位置是否指向内核空间即可
• 指向内核空间,就说明此时正在执行系统级别的代码,此时也就处于内核态

 

用户态和内核态的来回切换 

为什么

总不能从用户态切到内核态后,我们就不切回来了吧

我们肯定还有很多没有执行的用户级代码呢

如何切换

• 其实原理我们已经都介绍过了
• 只要我们可以拿到进程执行相关的数据,我们也就可以按照上面的原理 -- 跳转地址空间,修改寄存器数据,来切换状态
• (当然这里只是一个大概,实际上非常复杂的)
• 刚好cpu的寄存器里面,就存放着很多进程执行相关的数据结构的指针(也就是进程的上下文)

信号的处理流程 

知道了原理后,我们就可以明白,os究竟是如何处理信号的

介绍

详细图解

描述 

• 首先我们要先陷入内核态(可能是系统调用,也可能是异常/中断导致的)
• 然后在内核态下,os完成一系列的任务
• 在即将返回用户态,继续向下执行代码前,我们正好处于内核态下,有能力,可以顺手处理收到的信号
• 所以,os开始处理信号!

• os先去检查信号在内核中的两种信号集 -- pending,block
• 如果该信号被阻塞,os可以直接返回到用户态
• 但如果满足条件,我们拿到对应信号的处理函数后
• 这里就要分情况讨论了:

默认操作

• 如果需要终止进程,os可以直接进行终止进程的调度
• 如果该进程中有需要刷新数据/dump到外设,os在内核态下可以直接操作,操作完再退出进程
• 如果该进程不退出,也是一样的:
• eg:有个信号用来暂停进程,也可以在内核态下直接实现,直接修改进程状态,然后调度下一个进程

忽略操作

• 如果是忽略,os只需要将pending信号集由1改为0,即可返回到用户态,执行下面的代码噜

自定义操作

• 如果是自定义的操作,就有点麻烦了
• 因为默认和忽略都可以在内核态下直接完成,因为os的权限是最大的,什么资源都可以拿到
• 但是在执行自定义函数时,需要转换到用户态才行

为什么要转换到用户态呢?内核态下不能执行吗?

• 内核态当然可以执行进程的代码,它可以拿到所有的资源
• 但是,万一该函数中有违规操作(用户态下不可以执行的操作)
• 却没有被内核态下的进程识别到,就可能会导致不好的后果
• 为了避免这些情况,普通代码还是让用户态进程执行的好

在用户态下执行完成后,也就该返回内核态了

• 不仅是因为,处理完信号后,需要修改pending位图
• 也在于,进程需要返回到陷入内核态的执行位置,然后继续向下执行
• 而这些操作都需要访问os资源

抽象图解 

将信号处理过程 -- 从信号需要从用户态陷入到内核态 -> 处理完信号,返回原先的执行位置 抽象出来,得到该图:

交叉点处

就是os开始处理信号的时候

方向

图中的箭头,就是os执行流的变化方向

横线

• 如果用一条横线贯穿该图,那么横线上方就是用户态,下方就是内核态
• (可以看到信号处理的时候是在内核态中)
• 横线与图的四个交点就可以代表,进程的状态变化次数
• 而交点所在的方向,就代表了状态的切换方向