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。

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

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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