Linux 操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（ 0512 － 87161312 ） Autumn 2010.

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1 Linux 操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（ 0512 － 87161312 ） xlanchen@ustc.edu.cn Autumn 2010

2 Linux 中的信号

3 2016-7-8Linux OS analysis3/58 信号  信号在最早的 Unix 系统中就已经被引入了，用于 在用户态进程间通信。  内核也用信号通知进程系统所发生的事情

4 2016-7-8Linux OS analysis4/58 信号  信号是很短的消息  标准信号  标准信号没有给参数、消息或是其他相随的信息留有 空间  通常使用一个数字来标识一个信号  信号可以被发送到一个进程或一组进程。

5 2016-7-8Linux OS analysis5/58 软件中断的概念  信号的产生和处理方式跟中断有些相似  信号是典型的异步事件 （当然也有一些事件是同步错误或异常）  大多数产生信号的事件对进程而言是随机出现  进程不可能做轮询来测试某个标志位或者变量来判别是否发生 了一个信号，而是必须告诉内核 “ 在某个信号发生时，应该执行 如下操作 ” ，这点跟中断处理例程相似，所以也不难理解标准信 号不带参数或者是其他的信息  跟硬件中断一样，任何动作，包括终止进程，都只能由接收到 信号的进程来执行，也就是在本进程的上下文中执行

6 2016-7-8Linux OS analysis6/58 信号的作用  使用信号的两个主要目的是：  让进程知道已经发生了一个特定的事件  强迫进程执行它自己代码中的信号处理程序 很多应用程序提供自己的信号处理程序 系统也会定义一些缺省的信号处理程序

7 2016-7-8Linux OS analysis7/58 信号的生成  异常  当一个进程出现异常（比如试图执行一个非法指令，除 0 ，浮点 溢出等），内核通过向进程发送一个信号来通知进程异常的发 生  其他进程  一个进程可以通过 kill 或是 sigsend 系统调用向另一个进程或一个 进出组发送信号。一个进程也可以向自身发送信号  终端  某些键盘字符如 ctrl+c 等会向终端的前台进程发送信号

8 2016-7-8Linux OS analysis8/58  作业控制  发送信号给那些想要读或写终端的后台进程。比如 shell 使用信 号来管理前台和后台进程  配额限制  当一个进程使用超过分配给它的 cpu 时间或是文件大小的限制， 内核发送一个信号给这个进程  通知  一个进程也许要求能被通知某些事件的发生。比如设备已经就 绪等待 I/O 操作  闹钟  定时器产生的信号，由内核发送给进程

9 2016-7-8Linux OS analysis9/58 Linux/i386 中的部分信号

10 2016-7-8Linux OS analysis10/58

11 2016-7-8Linux OS analysis11/58 信号举例： “Ctrl+c” 组合键  假设用户在 console 下按下 “ctrl+c” ，这将产生终端 中断  tty 驱动程序能识别出这个组合键，并向自己的前台进程 发送一个 SIGINT 信号。  当对应进程被调度执行时，它将在上下文切换返回到用 户态时检查到这个信号。  此外，通常前台进程就是被 ctrl+c 中断的 current 进程。当 进程从中断返回时，也会检查到这个信号。  检查到信号后，系统就会让进程执行相应的动作。

12 2016-7-8Linux OS analysis12/58 信号举例：异常  前面讲过，异常也是通过信号来实现的。  当程序发生除 0 错误或是有非法指令时，将引起一 个内核态的 trap 。  内核 trap 处理程序识别出这个异常并发送合适的信 号到当前进程。  当 trap 处理程序将要返回到用户态时，会检查并发 现信号，进程可能就会被终止。

13 2016-7-8Linux OS analysis13/58 异常处理程序异常处理程序 异常处理程序发出的信号异常处理程序发出的信号

14 2016-7-8Linux OS analysis14/58 例如：除 0 错 traps_32.c

15 2016-7-8Linux OS analysis15/58 又如：用户态访问越界 在 do_page_fault 中： 。。。

16 2016-7-8Linux OS analysis16/58 与信号相关的系统调用

17 2016-7-8Linux OS analysis17/58 信号传递的两个不同阶段  信号产生  内核更新进程描述符中跟信号相关的数据结构来表示 一个信号被发送给了这个进程  信号传递  内核强迫目标进程通过以下方式对信号作出反映： 或改变目标进程的执行状态， 或开始执行一个特定的信号处理程序， 或者两者都是

18 2016-7-8Linux OS analysis18/58 挂起信号  已经产生但还没有传递的信号称为挂起信号。  任何时候，一个进程仅存在给定类型的一个挂起 信号，同一进程同种类型的其他信号不被排队， 只被简单的丢弃。

19 2016-7-8Linux OS analysis19/58  信号的挂起时间长度往往不可预知，原因在于：  信号通常只被 current 进程传递  进程可以选择阻塞某种信号。 这种情况下，在取消阻塞之前进程将不接收这个信号  当进程执行一个信号处理程序函数时，通常屏蔽相应 的信号，即自动阻塞这个信号直到处理程序结束。因 此，所处理的信号的另一次出现不能中断信号处理程 序

20 2016-7-8Linux OS analysis20/58 信号的应答方式和响应时机  进程以三种方式对一个信号做出应答 1 ，显式的忽略这个信号 多数信号都可以使用这种方式进行处理。 2 ，执行系统默认的缺省操作，可以是： Terminate ：进程被杀死 Dump ：进程被杀死，且如果可能，创建包含进程上下文的 可用于调试的 core 文件

21 2016-7-8Linux OS analysis21/58 Ignore ：简单的忽略信号 Stop ：进程被停止，状态置为 TASK_STOPPED Continue ：如果进程被挂起，则状态置为 TASK_RUNNING 。否则忽略该信号 3 ，捕获信号 为了执行用户希望的对某个事件的处理，可以由用户指定某 个信号的处理函数。

22 2016-7-8Linux OS analysis22/58 信号的应答方式和响应时机  注意 1 ：阻塞 ≠ 忽略  阻塞仅仅推迟了传递的时间  忽略的信号总是被传递，但是没有进一步的操作  注意 2 ：有两种信号不可以被显式的忽略、捕获 或阻塞： SIGKILL 和 SIGSTOP 。因为它们向超级 用户提供一种终止或停止进程的可靠的方法

23 2016-7-8Linux OS analysis23/58 信号的应答方式和响应时机  内核在如下时机检查进程的信号 1 ，从系统调用 / 中断返回到用户态之前，在 ret_from_intr 中执行这个检查 这个检查几乎在每个定时中断时都发生（约 10ms ） 代码在 i386\kernel\entry_32.S 中 2 ，进程从一个可中断的事件醒来后

24 2016-7-8Linux OS analysis24/58 代码阅读  thread_info 中的相关标志：

25 2016-7-8Linux OS analysis25/58 Flag 的位定义

26 2016-7-8Linux OS analysis26/58 信号相关标志位的设置与清除操作的调用情况

27 2016-7-8Linux OS analysis27/58  下面阅读 Entry_32.S 中部分相关的代码 除这里列出的标志之外的其他所有标志，包括信号挂起

28 2016-7-8Linux OS analysis28/58 Entry_32.S 中部分相关的代码

29 2016-7-8Linux OS analysis29/58 重复直到没有信号（或其他）要处理

30 2016-7-8Linux OS analysis30/58

31 2016-7-8Linux OS analysis31/58

32 2016-7-8Linux OS analysis32/58 内核在处理信号时需要注意的地方  记住每个进程阻塞哪些信号  当从内核态切换到用户态时，要检查是否有信号到达进 程  确定是否可以忽略信号。这发生在下列条件都满足时  目标进程没有被另一个进程跟踪  信号没有被阻塞  信号被目标进程忽略  处理这样的信号，即信号可能在进程运行期间的任一时 刻请求把进程切换到一个信号处理函数，并在这个函数 返回以后恢复原来进程的执行

33 2016-7-8Linux OS analysis33/58 与信号相关的数据结构  在进程描述符中与信号处理相关的字段有： 如果有信号被挂起，就设置这个标志，前面的 Entry_32.S 就根据这个快速判断有无挂起信号， 并根据这个标志调用 do_signal Thread_info 的 flag 信号描述符 被阻塞信号的掩码和临时掩码 记录被挂起的信号 信号处理描述符 信号处理程序备用堆栈的的地址和大小 驱动程序用于阻塞某些信号相关的函数、 参数和掩码

34 2016-7-8Linux OS analysis34/58

35 2016-7-8Linux OS analysis35/58  信号位数组 信号个数 Byte Per Word 2 组 ×32 位信号， 第一组 sig[0] 为 32 个标准信号 第二组为实时信号

36 2016-7-8Linux OS analysis36/58  信号描述符 signal_struct ，用来跟踪挂起的信号  还包括一些其他与信号处理关系并不密切的字段  与信号处理有关的字段包括： 计数器 Wait4() 等待队列 接收信号的线程组中最后一个进程 共享挂起信号

37 2016-7-8Linux OS analysis37/58  信号处理描述符  Sigaction 数据结构 计数器 各个信号的处理操作

38 2016-7-8Linux OS analysis38/58  sa_handler ，表示如何处理这个信号，可能的值 包括： 1 ， SIG_DFL ，即 0 ，表示执行缺省操作 2 ， SIG_IGN ，即 1 ，表示忽略这个信号 3 ，指向一个信号处理程序的指针，表示按照用户指定 的程序处理

39 2016-7-8Linux OS analysis39/58  sa_flags ：一个标志集，指定必须怎样处理信号  sa_mask ：指定处理本信号时，应当屏蔽的信号 仅用于 SIGCHLD ，当进程被停止时， 不向父进程发送 SIGCHLD 信号 仅用于 SIGCHLD ，当进程被停止时， 不向创建僵死状态 使用备用栈 带 info 自动的重新开始执行被中断的协调调用 执行信号处理程序时不屏蔽信号 执行信号处理程序后，重新设置缺省操作

40 2016-7-8Linux OS analysis40/58

41 2016-7-8Linux OS analysis41/58  挂起信号队列  共享挂起信号队列，信号描述符中的 shared_pending  私有挂起信号队列， pending 指出挂起的信号是什么 被挂起的信号的相 关信息组成的队列 数据结构为 sigqueue

42 2016-7-8Linux OS analysis42/58 信号的产生  内核通过调用 这几个函数来产生信号。这些函数只是更新目标 进程的进程描述符相关的域。但在条件满足的情 况下它们可以唤醒进程让目标进程接收信号

43 2016-7-8Linux OS analysis43/58 传递信号  内核在返回到用户态时调用 do_signal() 来处理非 阻塞的挂起信号： 参数： struct pt_regs *regs;//pt_regs 结构，指向当前进 // 程内核态堆栈中保存的寄存器

44 2016-7-8Linux OS analysis44/58  do_signal() 一位一位的检查当前被挂起的非阻 塞信号，其编号由 dequeue_signal() 返回，对应 于上面介绍的 action 结构中指定的处理方法：  如果是 SIG_IGN （忽略信号）

45 2016-7-8Linux OS analysis45/58  如果是 SIG_DFL （缺省操作）

46 2016-7-8Linux OS analysis46/58  如果信号有一个专门的处理程序， do_signal 就调用 handle_signal() 强迫执行该处理程序

47 2016-7-8Linux OS analysis47/58 Handle_signal  信号处理程序是用户态进程所定义的函数，并且 包含在用户态的代码段中  Handle_signal 运行在内核态，而信号处理程序运 行在用户态  问题： 1 ，必须返回用户态执行信号处理程序 2 ，必须按照原来进入内核的方式返回用户态 3 ，一旦返回用户态，内核堆栈就被清空，如何保存内 核堆栈的内容

48 2016-7-8Linux OS analysis48/58  Linux 采用的解决办法：  把保存在内核态堆栈中的上下文拷贝到当前进程的用 户态堆栈中  建立好信号处理程序所需的堆栈环境  当信号处理程序运行结束时，调用 sigreturn() 系统调 用把上面保存的内核堆栈的内容再拷贝回内核堆栈  然后正常返回

49 2016-7-8Linux OS analysis49/58

50 2016-7-8Linux OS analysis50/58 关于系统调用的重新执行  对于一次系统调用，内核可能无法立即满足  此时，进程通常进入等待状态， TASK_INTERRUPTIBLE 或者 TASK_UNINTERRUPTIBLE  对于前者，进程会因信号而被唤醒，此时系统调 用没有完成  不重新执行  强制重新执行  依赖 SA_RESTART 是否设置。若设置，则重新执行

51 2016-7-8Linux OS analysis51/58  信号处理的实现是比较复杂的，本课程不再一一 细讲

52 2016-7-8Linux OS analysis52/58 与信号处理相关的系统调用  kill(pid, sig) 系统调用  发送信号，对应于 sys_kill()  对于 pid 的值 1 ，如果大于 0 ，发送信号给指定的进程 2 ，如果 =0 ，把信号发送给同组的所有进程 3 ，如果 =-1 ，把信号发送给除 0 号、 1 号以及 current 进 程之外的所有进程 4 ，如果小于 -1 ，把信号发送给指定的进程组中的所 有的进程  阅读 sys_kill

53 2016-7-8Linux OS analysis53/58  sigaction(sig, act, oact) 系统调用  允许用户为信号指定（改变）一个操作，对应于 sys_sigaction()  参数： sig ，指明是哪一个信号 act ，指定新的操作 oact ，可选，用来存放旧的操作  阅读 sys_sigaction

54 2016-7-8Linux OS analysis54/58  signal(sig, handler) 系统调用  设置信号处理程序为 handler ，对应于 sys_singal()

55 2016-7-8Linux OS analysis55/58  sigpending() 检查挂起的阻塞信号  Sigsuspend() 把进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE 状态  ……

56 2016-7-8Linux OS analysis56/58 用户设置信号处理程序举例：

57 2016-7-8Linux OS analysis57/58 在 copy_signal 中：

58 Thanks ！ The end.