嵌入式操作系统 陈香兰 Spring 2006 中国科学技术大学计算机系

第三部分 基于 Linux 的应用编程基础 Linux 中的信号 进程间通信 驱动程序编写

Linux 中的信号

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

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。

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

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

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

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

Linux/i386 中的部分信号

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。

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。

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

与信号相关的系统调用

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

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。

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

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

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。

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

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.S 中 2 ，进程从一个可中断的事件醒来后

中断返回 系统调用返回 如果有信号要处理 Entry.S 中部分相关的代码

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

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： 记录进程想阻塞的信号 ＝ 2 2 组 ×32 位信号， 第一组 sig[0] 为 32 个标准信号 记录被挂起的信号 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 信号处理描述符 指出共享 signal_struct 结构的进程个数 每个信号的处理方法 ＝ 64 如果有信号被挂起，就设置这个标志，前面的 entry.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

在 i386 体系结构上 action 数组中的每一个信号 的描述符包含下列域： sa_handler 或 sa_sigaction 这是一个联合，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

sa_flags ：一个标志集，指明与信号处理相关的一 些其他信息 sa_mask ：指定处理本信号时，应当屏蔽的信号

发送信号 内核通过调用 send_sig_info() send_sig(), force_sig() force_sig_info() 这几个函数发送信号。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

接收信号 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 sigset_t *oldset; // 信号处理程序执行时要屏蔽的 // 信号，实际上调用时为空

do_signal() 一位一位的检查当前被挂起的非 阻塞信号，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） 不能被忽略的信号

如果是 SIG_DFL （缺省操作） 根据信号的类型， 使用 switch 语句 找到对应的缺省 处理方式

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

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

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

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

sigaction(sig, act, oact) 系统调用 允许用户为信号指定一个操作，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

signal(sig, handler) 系统调用 设置信号处理程序为 handler ，对应于 sys_singal()

用户设置信号处理程序举例： 演示。