第五章 信号和信号处理
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一、概述
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本章讲述了信号和信号处理;介绍了信号和中断的统一处理，有助于从正确的角度看待信号;将信号视为进程中断，将进程从正常执行转移到信号处理;解释了信号的来源，包括来自硬件、异常和其他进程的信号;然后举例说明了信号在Unix/Linux 中的常见用法;详细解释了Unix/Linux中的信号处理，包括信号类型、信号向量位、信号掩码位、进程PROC结构体中的信号处理程序以及信号处理步骤;用示例展示了如何安装信号捕捉器来处理程序异常，如用户模式下的段错误;还讨论了将信号用作进程间通信（IPC）机制的适用性。读者可借助该编程项目，使用信号和管道来实现用于进程交换信息的进程间通信机制。
二、信号和中断
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人员中断
来自硬件的中断：大楼着火，闹钟响了等
来自其他人的中断：电话响了，有人敲门等。
自己造成的中断：切到手指,吃得太多等。
按照紧急程度，中断可分为以下几类:
不可屏蔽(NMI)：大楼着火!
可屏蔽：有人敲门等。 -
进程中断
这类中断是发送给进程的中断。当某进程正在执行时，可能会收到来自3个不同来源的中断:
来自硬件的中断:终端、间隔定时器的“Ctrl+C”组合键等。
来自其他进程的中断:kill(pid，SIG#), death_of_child等。
自己造成的中断:除以0、无效地址等。
每个进程中断都被转换为一个唯一ID号，发送给进程。与多种类的人员中断不同，我们始终可限制在一个进程中的中断的数量。Unix/Linux中的进程中断称为信号，编号为1到31。进程的PROC结构体中有对应每个信号的动作函数，进程可在收到信号后执行该动作函数。与人员类似，进程也可屏蔽某些类型的信号，以推迟处理。必要时，进程还可能会修改信号动作函数。 -
硬件中断
这类中断是发送给处理器或CPU的信号。它们也有三个可能的来源:
来自硬件的中断:定时器、1/O设备等
来自其他处理器的中断:FFP、DMA、多处理器系统中的其他CPU
自己造成的中断:除以О、保护错误、INT指令。
每个中断都有唯一的中断向量号。动作函数是中断向量表中的中断处理程序。CPU不会导致任何自己造成的中断(除非出错)。这种中断是由于进程正在使用或在大多数情况下误用CPU造成的。 -
进程的陷阱错误
进程可能会自己造成中断。这些中断是由被CPU识别为异常的错误引起的，例如除以0、无效地址、非法指令、越权等。当进程遇到异常时，它会陷入操作系统内核，将陷阱原因转换为信号编号，并将信号发送给自己。如果在用户模式下发生异常，则进程的默认操作是终止，并使用一个可选的内存转储进行调试。
三、 Umix/Linux中的信号处理
Unix/Linux支持31中不同的信号，每种信号在signal.h文件中都有定义。
信号的来源
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来自硬件中断的信号：在执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程硬件信号示例
- 中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。
- 间隔定时器，当他的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。
- 其他硬件错误，如总线错误、IO陷进
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来自异常的信号：常见的陷阱信号有SIGFPE(8)，表示浮点异常（除以0），最常见也是最可怕的时SIGSEGV（11），表示段错误
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来自其他进程的信号：进程可以使用kill（pid，sig）系统调用向pid标识的目标进程发送信号。
信号处理函数
每个进程PROC 都有一个信号处理数组 int sig[32]。Sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示 DEFault（默认）.1表示 IGNore（忽略）.其他非零值表示用户模式下预先安装的信号捕捉（处理）函数。下图给出了信号位向量、屏蔽位向量和信号处理函数。
四、信号处理步骤
(1）当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号。如果某信号有用户安装的捕捉函数，该进程会先清除信号，获取捕捉函数地址，对于大多数陷阱信号，则将已安装的捕捉函数重置为DEFault。然后，它会在用户模式下返回，以执行捅捉函数，以这种方式篡改返回路径。当捕捉函数结束时，它会返回到最初的中断点，即它最后进入内核模式的地方。因此，该进程会先迁回执行捕捉函数，然后再恢复正常执行。
(2）重置用户安装的信号捕捉函数:用户安装的陷阱相关信号捕捉函数用于处理用户代码中的陷阱错误。由于捕捉函数也在用户模式下执行，因此可能会再次出现同样的错误。如果是这样，该进程最终会陷入无限循环，一直在用户模式和内核模式之间跳跃。为了防止这种情况，Unix内核通常会在允许进程执行捕捉函数之前先将处理函数重置为DEFault。这意味着用户安装的捕捉函数只对首次出现的信号有效。若要捕捉再次出现的同一信号，则必须重新安装捕捉函数。但是，用户安装的信号捕捉函数的处理方法并不都一样，在不同 Unix版本中会有所不同。例如，在 BSD Unix中，信号处理函数不会被重置，但是该信号在执行信号捕捉函数时会被阻塞。感兴趣的读者可参考关于Lioux信号和 sigaction函数的手册页，以了解更多详细信息。
(3）信号和唤醒:在Unix/Linux内核中有两种SLEEP进程;深度休眠进程和浅度休眠进程。前一种进程不可中断，而后一种进程可由信号中断。如果某进程处于不可中断的SLEEP状态,到达的信号(必须来自硬件中断或其他进程)不会唤醒进程。如果它处于可中断的SLEEP状态，到达的信号将会唤醒它。例如，当某进程等待终端输入时，它会以低优先级休眠，这种休眠是可中断的,SIGINT这类信号即可唤醒它。
五、Linux中的IPC
1.管道和FIFO
管道的主要用途是连接一对管道写进程和读进程。管道写进程可将数据写入管道，读进程可从管道中读取数据。管道控制机制要对管道读写操作进行同步控制。未命名管道供相关进程使用。命名管道是FIFO的，可供不相关进程使用。在 Linux中的管道读取操作为同步和阻塞。如果管道仍有写进程但没有数据，读进程会进行等待。
2.信号
进程可使用 kill 系统调用向其他进程发送信号，其他进程使用信号捕捉函数处理信号。将信号用作IPC的一个主要缺点是信号只是用作通知，不含任何信息内容。
3.线程同步机制
Linux 不区分进程和线程。在 Linux中，进程是共享某些公共资源的线程。如果是使用有共享地址空间的clone（系统调用创建的进程，它们可使用互斥量和条件变量通过共享内存进行同步通信。另外，常规进程可添加到共享内存，使它们可作为线程进行同步。
六、 实践与代码
代码链接：https://gitee.com/hai_wen_xu/chapter-vi-code/tree/master/
sigaction函数的功能是检查或修改与指定信号相关联的处理动作（可同时两种操作）
执行该程序时，ctrl+c，第一次不会导致程序的结束。而是继续执行，当用户再次执行ctrl+c的时候，程序采用结束。
sig 是需要捕获的 signal number, 后一个是捕获到信号后的处理函数指针，接收到quit信号时，结束进程
七、问题及解决办法
问题
什么是中断？中断的处理过程是如何进行的？
解决
1．中断的基本概念
中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。引起中断发生的事件被称为中断源。中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求，而CPU收到中断请求后转到相应的事件处理程序称为中断响应。
2. 中断处理过程
（1）CPU检查响应中断的条件是否满足。CPU响应中断的条件是：有来自于中断源的中断请求、CPU允许中断。
（2）如果CPU响应中断，则CPU关中断，使其进入不可再次响应中断的状态。
（3）保存被中断进程现场。
（4）分析中断原因，调用中断处理子程序。在多个中断请求同时发生时，处理优先级最高的中断源发出的中断请求。
（5）执行中断处理子程序。对陷阱来说，在有些系统中则是通过陷阱指令向当前执行进程发出软中断信号后调用对应的处理子程序执行。
（6）退出中断，恢复被中断进程的现场或调度新进程占据处理器。
（7）开中断，CPU继续执行。