Linux信号处理

由于在下能力相当有限，有不当之处，还望大家批评指正^_^

一、 信号概念

• 信号(signal)是软中断。
• 信号提供了一种处理异步事件的方式。
• 当各种各样的事件发生时，程序相应的会收到各种各样的信号。
• 对于大部分信号，程序可以自行决定如何处理他们。

程序在什么情况下会收到信号，下面是一些例子
执行某条指令，产生了异常
   (例如, 访存指令访问无效内存时收到SIGSEGV信号,执行非法指令收到SIGILL信号)
执行某些不合适的操作
  (例如,写破列的管道收到SIGPIPE信号,后台程序向控制台打印信息收到SIGTTOU信号)
发生了一些与当前程序有关的事情
  (例如,子进程退出后父进程收到SIGCHLD信号,定时器时间到了收到SIGALRM信号)
程序之间相互发送信号
  (例如, 程序之间通过信号进行协作)

通过man 7 signal命令可以查看Linux下的信号说明。

下面列出了此命令输出的一些信号，包括信号的编号，默认处理方式。

注意，同一信号，在不同CPU架构下的编号可能不一样。例如，像SIGUSR1, SIGCONT等。

二、 信号处理

对于一个信号如何处理，程序有如下3种选择

• 忽略 
• 捕获并处理 
• 让系统按默认方式处理

注意:   SIGKILL与SIGSTOP信号，即无法被忽略，也无法被捕获。

Linux信号处理，有两种机制， 一种是传统的，一种是现代的。

总得来说，传统的信号处理机制有多种缺陷，因此还是不用为好。

另外，关于程序处理信号的具体方法，本文就不介绍了。《UNIX环境高级编程》对这些知识说得已经非常好了。

本文着重讲讲信号处理机制中的某些特殊之处。

三、 多线程程序中的信号处理

程序中对于某个信号如何处理的设置，对所有线程都是相同的。

换句话说，对任一信号设置的处理方式，以及相应的信号处理函数，对于所有线程都是共享的。
每个经程，通过pthread_sigmask设置自己要阻塞的信号。
问题是，这样的话，信号来了，具体由哪个线程谁处理呢？？？

这要分几种情况来讨论：

1. 外界向本进程发送的信号(通过sys_kill系统调用)

答案是，如果没有特殊情况，都是主线程处理。如果主线程不能处理，则选出一个线程来处理。

具体如何实现的，下面贴出内核中的相关代码

	/*
	 * Now find a thread we can wake up to take the signal off the queue.
	 *
	 * If the main thread wants the signal, it gets first crack.
	 * Probably the least surprising to the average bear.
	 */
	if (wants_signal(sig, p))
		t = p;
	else if (!group || thread_group_empty(p))
		/*
		 * There is just one thread and it does not need to be woken.
		 * It will dequeue unblocked signals before it runs again.
		 */
		return;
	else {
		/*
		 * Otherwise try to find a suitable thread.
		 */
		t = signal->curr_target;
		while (!wants_signal(sig, t)) {
			t = next_thread(t);
			if (t == signal->curr_target)
				/*
				 * No thread needs to be woken.
				 * Any eligible threads will see
				 * the signal in the queue soon.
				 */
				return;
		}
		signal->curr_target = t;
	}

2. 直接向某线程发送的信号(通过sys_tkill系统调用)

答案是，只会由此线程自己处理。

3.  线程执行相关指令产生的信号

某线程执行指令，导致产生了SIGSEGV或SIGILL，只会由产生此信号的线程自己处理。

最后，如何让线程专心做事，不被进程收到的信号打断呢。
同时，信号又能够得到妥善的处理。一种解决方法是：所有线程均阻塞所有process-directed信号，由一个线程轮询接收处理这些信号。

四、内核中的相关实现(引用内核版本2.6.32)

1. 内核何时处理信号

任务进入内核态后，在即将返回用户态之前，内核检查当前任务是否有信号需要处理。有的话，就处理信号。
任务一般会因为中断、系统调用、指令异常这几个原因，进入内核态。但不管是哪一种，在返回用户态之前，内核都会做信号方面的检查与处理。这个流程是一样的。
以i386为例，其代码在如下文件中。
arch\x86\kernel\entry_32.S

2. 信号处理代码简析

a). 信号处理总入口
static void do_signal(struct pt_regs *regs)
他由do_notify_resume调用


b). get_signal_to_deliver中处理被忽略的信号，以及按默认方式处理的信号


c). handle_signal中处理用户设定了要捕获处理的信号

3. 内核如何重启被信号打断的系统调用 


以ioctl为例。在x86_64下，其系统调用号为16。
见arch\x86\include\asm\unistd_64.h


ioctl的C库函数汇编代码如下：
000000000040af30 <__ioctl>:
40af30: b8 10 00 00 00      mov    $0x10,%eax
40af35: 0f 05               syscall 
40af37: 48 3d 01 f0 ff ff   cmp    $0xfffffffffffff001,%rax
40af3d: 0f 83 ad 23 00 00   jae    40d2f0 <__syscall_error>
40af43: c3                  retq   
40af44: 90                  nop    
40af45: 90                  nop 




handle_signal中的代码片断如下：
case -ERESTARTSYS:
if (!(ka->sa.sa_flags & SA_RESTART)) {
regs->ax = -EINTR;
break;
}
/* fallthrough */
case -ERESTARTNOINTR:
regs->ax = regs->orig_ax;
regs->ip -= 2;  //等于回到__ioctl中调用syscall之前的地方了
break;

4. 用户态信号处理函数的执行
当线程要从内核态回到用户态时，如果有信号要处理，那么就不是回到用户态原先因为进内核而被中断的地方执行了。而是回到用户设置的信号处理函数的地址处开始执行，就好像线程当初进入内核前正要执行信号处理函数一样。
以x86_32，传统信号处理方式为例。
代码在ia32_setup_frame中
内核将用户态程序现场修改为，回到用户态正好要执行的下一条指令，就是用户态信号处理函数的第一条指令。这样，回到用户态，就从用户态信号处理函数第一条指令开始执行了。

5. 用户态信号处理函数的返回
以x86_32，传统信号处理方式为例。
内核在ia32_setup_frame中为返回做好了准备

用户态信号处理函数的栈帧中，返回地址被内核赋了相应的值。即用户态信号处理函数在返回时，会返回到内核事先安排好的地方继续执行。其实就是调用__NR_ia32_sigreturn，对应sys_sigreturn。

sys_sigreturn中就作了现场环境的恢复。
主要是restore_sigcontext这个函数。
他从栈里面取出现场环境数据，进行恢复。
这些栈里面的数据，则是前面在ia32_setup_frame 处理中，通过调用函数ia32_setup_sigcontext进行保存的。