linux信号 | 学习信号四步走 | 透析信号是如何被处理的？

        前言：本节内容讲述linux信号的捕捉。 我们通过前面的学习， 已经学习了信号的概念， 信号的产生， 信号的保存。 只剩下信号的处理。 而信号的处理我们应该着重注意的是第三种处理方式——信号的捕捉。 也就是说， 这篇文章其实最核心的部分就是在解释信号的捕捉。 但是大的篇幅还是在前面的预备知识上面。现在， 开始我们的学习吧！

        ps: 本节内容适合了解信号概念， 信号产生， 信号保存的友友们观看。

目录

信号是什么时候被处理的呢？ 

重谈地址空间

操作系统的执行逻辑

cpu与用户态和内核态

捕捉过程

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信号是什么时候被处理的呢？ 

        我们要处理一个信号， 首先是我们自己知道自己收到信号了。 那么知道自己收到信号了， 进程就必须得在合适的时候查一查我们对应的pending位图， block位图以及handler数组。 而这三个表都属于内核数据结构， 进程不会， 也不能直接访问他们。  而解决方法就是让进程处于一种内核状态。 当进程从内核态转回用户态的时候就会对信号做检测并处理。

        关于内核态和用户态， 是我们从学习linux到现在， 第一次听到的名词。一般我们自己进程在进行的时候， cpu在进行调度的时候不仅仅运行我们自己写的代码。 比如我们的代码里还有系统调用或者库函数调用。 对应着就是我们自己写的代码， 库自己写的代码， 操作系统曾经写的代码。 ——这些cpu都要跑。 就比如我们进程等待wait函数， 我们创建子进程的fork， 我们打印数据printf。 这些操作我们都没有自己进行， 都是通过系统调用或者库函数直接进行调用。 

        那么， 我们的操作系统既然不相信我们的用户， 所以在很多场景下， 它是需要我们的用户做一下相关的身份切换的， 才允许我们执行对应的代码。 一般我们在执行库函数的时候， 执行我们自己的代码的时候， 一般都是在用户态直接执行的。 还有一种是进程在cpu调度之下， 要陷入到操作系统内部， 执行对应的任务——最典型的就是在调用系统调用的时候。——这里要知道的是， 当我们调用系统调用的时候， 操作系统会自动把我们的用户的身份进行转变， 转变为内核身份。 然后由操作系统帮我们把函数执行完毕。 当返回时， 再把我们的身份从内核身份转化为用户身份。 此时才能够允许我们执行系统调用。 ——这里我们只需要知道， 系统调用除了调用函数， 也是需要进行身份变换的。 这里的身份就两个， 一个是用户态， 一个是内核态。 
        也就是说， 调用系统调用， 操作系统是自动会做身份切换的。 （从用户到内核， 或者从内核到用户）

重谈地址空间

        我们其实之前学到的进程相关的知识， 其实都是和我们上图中的用户空间相关联（0~3GB)， 但是在3~4GB， 还有一个内核地址空间。这个内核地址空间其实映射的就是操作系统的代码和数据。 而且因为操作系统是最先被加载进进程的程序， 所以它的代码和数据应该在内存中的较为底部的位置。 同时映射的时候需要有一个内核级页表进行映射。 

        那么这里问题就来了， 如果我们的系统中有很多进程的话， 用户页表有几份呢 ？ 内核级页表有几份呢 ？

•         对于用户级页表： 有几个进程就有几份用户级页表， 因为进程具有独立性。 
•         对于内核级页表： 有一份。

        所以， 我们的每一个进程， 看到的都是3 ~ 4GB内核空间里面的内容， 看到的内核级页表里面的内容， 看到的物理内存里面的操作系统的代码和数据的内容都是一样的！！

        要知道， 我们的各种系统调用的方法， 比如write， read， wait， fork， sigset_t等等都是在内核空间的。 

        所以， 以后我们进程在代码区进行系统调用的时候， 就直接找自己内核地址空间里面的系统方法， 然后返回到代码区。

        就如同在自己的地址空间里面直接调用

• ——在进程的视角： 我们调用系统当中的方法， 就是在我们自己的地址空间中进行执行的。        
• ——在OS的视角： 在任何一个时刻， 都有进程在执行。 我们想执行操作系统的代码， 就可以随时执行。 

操作系统的执行逻辑

        执行逻辑就是——基于时钟中断的一个死循环。 

        在我们计算机里面都有一个芯片单元， 每隔很短很短的时间， 向计算机发送时钟中断。 接收到所谓的时钟中断后， 就要执行中断所对应的方法， 也就是操作系统的代码。 也就是说我们的计算机内部有一个芯片单元， 它每隔很短的时间就给cpu发送一次时钟中断， 这个就叫做一次滴答。 然后我们操作系统， 就被动的被时钟中断推着向后执行。 

        然后操作系统将前期的工作做完之后， 往后的过程中就是执行一个死循环， 在死循环中检测有没有时钟到来， 如果有时钟到来， cpu就去执行时钟中断对应的方法。具体的操作系统如何做的， 看下图：

        

这张图里面有些字段已经被博主标记出来了， 但是有些字段涉及的内容太多， 无法全部截图， 所以这里直接叙述：

        首先说这个for(; ;) pause(); 这个是一个死循环，说明操作系统执行到这里后就什么都没干， 一直执行一个pause（）。 pause的意思是暂停， 为什么暂停？ 因为操作系统往后的动作， 都靠着时钟中断来驱动， 也就是说， 有外设中断， 操作系统就去执行对应的中断。 

        也就是说， 操作系统最后会卡在for(; ;) pause();  什么都不去做， 一直暂停在这里相应中断。 而我们的操作系统响应中断， 就一直在执行相应的调用。 所以， 我们的硬件一直在推着操作系统在走。 所以， 我们的操作系统才一直推着我们的进程在走。 所以我们的代码才得以推进。 

        ps:我们的计算机天然就有计算时间的能力， 就比如我们的台式电脑即便断电， 再次开机的时间也能够正确。 这是因为计算机内部可以续电， 可能是纽扣电池， 然后我们计算机能够通过一种硬件单元进行时间的计算。 

        然后要着重说一下的就是这个调度程序初始化：

        这个timer_interrupt， 如果没有中断就绪， 就会执行这个。 这个东西是用来相应每隔很小时间发来的中断的， 比如执行或者调度等操作。 

cpu与用户态和内核态

        我们说过， 么一个当前正在调度的进程， 对应的这个进程有自己的页表。 并且， cpu中有一个CR3寄存器， 这个寄存器直接指向当前进程所对应的用户级页表。 

        同时有一个ECS寄存器。 我们怎么知道我们当前是用户态还是内核态呢？ 进程如果在执行用户的代码的时候， ECS一定是指向用户态。 进程如果在执行系统的代码的时候， ECS一定是指向内核态。 关键在于， 在ECS寄存器里面， 最后有着两个比特位。 这两个比特位有四种表示方式：00、01、10、11. linux内核中， 对于cpu常见的有两种工作模式， 一种叫做内核态00， 一种叫做用户态01。 所以如果今天想访问内核态对应的代码， 必须想办法将ECS的低两位由三置为0. 那么谁能做到呢？ ——cpu必须给我们提供一个方法， 能够修改自己的工作状态， 即int 80陷入内核。

•         内核态： 允许访问操作系统的代码和数据。 
•         用户态： 只能访问用户自己的代码和数据。

捕捉过程

要理解信号的捕捉过程， 我们可以先看下面这张图。     接下来就是对这张图进行解释：

•         首先， 信号的处理必须是操作系统要先检测到信号。 那么这个检测的时机就是上面图中的红圈圈。 上面这张图是一个循环的， 但是进程的开始要从绿色的位置执行。 然后一开始在用户态， 在用户态执行main函数的时候， 遇到异常或者其他触发信号的调用， 就进入内核态。 也就是经过第一个蓝色圈圈， 到了下层。 然后操作系统就进行检测。 
•         现在谈一谈这个检测：做检测， 首先要遍历pending列表。 看看有没有信号，再看看有没有block。 没有就正常执行， 有的话就不做处理， 继续看下一个。 直到遇到1， 并且block没有被阻塞就执行信号动作。那么此时如果这个信号是DFL，就是默认动作， 该怎么样就怎么样。 如果是IGN， 就是忽略， 什么都不做。 并且在执行这个信号动作之前将信号的pending由零变成1。 这两种都是直接在内核态执行的。
•         但是问题来了， 如果不是忽略或者默认， 而是自定义动作呢？ ——要知道， 我们的自定义动作是用户代码，执行它就需要进入用户态。 那么我们为什么要使用用户态而不直接使用内核态呢？ 因为如果我们调用的是非法代码。 盗取了我们计算机内的重要信息， 此时就会出现危险。 所以我们必须返回用户态。 然后从用户态处理完之后， 就会原路返回， 也就是利用sigreturn系统调用回归内核态， 再利用sys_sigreturn返回main。 
•         那么进程我们知道是会被调度的， 只要他再跑， cpu就会调度它的进程。 只要需要调度， 时间片必然会消耗完毕。 消耗完毕就必然将时间片从cpu上剥离下来， 当下次调用进程的时候， 必然要把进程的各种队列放到寄存器里面跑， 而这个过程中， 见数据恢复到cpu中的过程一定在内核态， 而开始执行进程代码时一定是在用户态。 所以， 在进程调度的时候， 有无数次机会从进程用户态到内核态， 从内核态到用户态。 

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