信号生产
关于信号篇,本只想写一篇,但发现把它想简单了,内容不多,难度极大.整理了好长时间,理解了为何<<深入理解linux内核>>要单独为它开一章,原因有二
- 信号相关的结构体多,而且还容易搞混.所以看本篇要注意结构体的名字和作用.
- 系统调用太多了,涉及面广,信号的来源分硬件和软件.相当于软中断和硬中断,这就会涉及到汇编代码,但信号的处理函数又在用户空间,CPU是禁止内核态执行用户态代码的,所以运行过程需在用户空间和内核空间来回的折腾,频繁的切换上下文.
信号思想来自Unix,它老人家已经五十多岁了,但很有活力,许多方面几乎没发生大的变化.信号可以由内核产生,也可以由用户进程产生,并由内核传送给特定的进程或线程(组),若这个进程定义了自己的信号处理程序,则调用这个程序去处理信号,否则则执行默认的程序或者忽略.
信号为系统提供了一种进程间异步通讯的方式,一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达。事实上,进程也不可能知道信号到底什么时候到达。一般来说,只需用户进程提供信号处理函数,内核会想方设法调用信号处理函数,网上查阅了很多的关于信号的资料.个人想换个视角去看信号.把异步过程理解为生产者(安装和发送信号)和消费者(捕捉和处理信号)两个过程
信号分类
每个信号都有一个名字和编号,这些名字都以SIG
开头,例如SIGQUIT
、SIGCHLD
等等。
信号定义在signal.h头文件中,信号名都定义为正整数。
具体的信号名称可以使用kill -l
来查看信号的名字以及序号,信号是从1开始编号的,不存在0号信号。不过kill
对于信号0有特殊的应用。啥用呢? 可用来查询进程是否还在. 敲下 kill 0 pid
就知道了.
信号分为两大类:可靠信号与不可靠信号,前32种信号为不可靠信号,后32种为可靠信号。
-
不可靠信号: 也称为非实时信号,不支持排队,信号可能会丢失, 比如发送多次相同的信号, 进程只能收到一次. 信号值取值区间为1~31;
-
可靠信号: 也称为实时信号,支持排队, 信号不会丢失, 发多少次, 就可以收到多少次. 信号值取值区间为32~64
#define SIGHUP 1 //终端挂起或者控制进程终止#define SIGINT 2 //键盘中断(ctrl + c)#define SIGQUIT 3 //键盘的退出键被按下#define SIGILL 4 //非法指令#define SIGTRAP 5 //跟踪陷阱(trace trap),启动进程,跟踪代码的执行#define SIGABRT 6 //由abort(3)发出的退出指令#define SIGIOT SIGABRT //abort发出的信号#define SIGBUS 7 //总线错误 #define SIGFPE 8 //浮点异常#define SIGKILL 9 //常用的命令 kill 9 123 | 不能被忽略、处理和阻塞#define SIGUSR1 10 //用户自定义信号1 #define SIGSEGV 11 //无效的内存引用, 段违例(segmentation violation),进程试图去访问其虚地址空间以外的位置 #define SIGUSR2 12 //用户自定义信号2#define SIGPIPE 13 //向某个非读管道中写入数据 #define SIGALRM 14 //由alarm(2)发出的信号,默认行为为进程终止#define SIGTERM 15 //终止信号#define SIGSTKFLT 16 //栈溢出#define SIGCHLD 17 //子进程结束信号#define SIGCONT 18 //进程继续(曾被停止的进程)#define SIGSTOP 19 //终止进程 | 不能被忽略、处理和阻塞#define SIGTSTP 20 //控制终端(tty)上 按下停止键#define SIGTTIN 21 //进程停止,后台进程企图从控制终端读#define SIGTTOU 22 //进程停止,后台进程企图从控制终端写#define SIGURG 23 //I/O有紧急数据到达当前进程#define SIGXCPU 24 //进程的CPU时间片到期#define SIGXFSZ 25 //文件大小的超出上限#define SIGVTALRM 26 //虚拟时钟超时#define SIGPROF 27 //profile时钟超时#define SIGWINCH 28 //窗口大小改变#define SIGIO 29 //I/O相关#define SIGPOLL 29 //#define SIGPWR 30 //电源故障,关机#define SIGSYS 31 //系统调用中参数错,如系统调用号非法 #define SIGUNUSED SIGSYS//不使用#define _NSIG 65
信号来源
信号来源分为硬件类和软件类:
- 硬件类
- 用户输入:比如在终端上按下组合键
ctrl+C
,产生SIGINT
信号; - 硬件异常:CPU检测到内存非法访问等异常,通知内核生成相应信号,并发送给发生事件的进程;
- 用户输入:比如在终端上按下组合键
- 软件类
- 通过系统调用,发送signal信号:
kill()
,raise()
,sigqueue()
,alarm()
,setitimer()
,abort()
kill
命令就是一个发送信号的工具,用于向进程或进程组发送信号.例如:kill 9 PID
(SIGKILL
)来杀死PID
进程.- sigqueue():只能向一个进程发送信号,不能向进程组发送信号;主要针对实时信号提出,与sigaction()组合使用,当然也支持非实时信号的发送;
- alarm():用于调用进程指定时间后发出SIGALARM信号;
- setitimer():设置定时器,计时达到后给进程发送SIGALRM信号,功能比alarm更强大;
- abort():向进程发送SIGABORT信号,默认进程会异常退出。
- raise():用于向进程自身发送信号;
- 通过系统调用,发送signal信号:
信号与进程的关系
主要是通过系统调用 sigaction
将用户态信号处理函数注册到PCB保存.所有进程的任务都共用这个信号注册函数sigHandler
,在信号的消费阶段内核用一种特殊的方式’回调’它.
typedef struct ProcessCB {//PCB中关于信号的信息UINTPTR sigHandler; /**< signal handler */ //捕捉信号后的处理函数sigset_t sigShare; /**< signal share bit */ //信号共享位,64个信号各站一位
}LosProcessCB;
typedef unsigned _Int64 sigset_t; //一个64位的变量,每个信号代表一位.struct sigaction {//信号处理机制结构体union {void (*sa_handler)(int); //信号处理函数——普通版void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//信号处理函数——高级版} __sa_handler;sigset_t sa_mask;//指定信号处理程序执行过程中需要阻塞的信号;int sa_flags; //标示位// SA_RESTART:使被信号打断的syscall重新发起。// SA_NOCLDSTOP:使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到 SIGCHLD 信号。// SA_NOCLDWAIT:使父进程在它的子进程退出时不会收到SIGCHLD信号,这时子进程如果退出也不会成为僵 尸进程。// SA_NODEFER:使对信号的屏蔽无效,即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信号。// SA_RESETHAND:信号处理之后重新设置为默认的处理方式。// SA_SIGINFO:使用sa_sigaction成员而不是sa_handler作为信号处理函数。void (*sa_restorer)(void);
};
typedef struct sigaction sigaction_t;
解读
- 每个信号都对应一个位. 信号从1开始编号 [1 ~ 64] 对应
sigShare
的[0 ~ 63]位,所以中间会差一个.记住这点,后续代码会提到. sigHandler
信号处理函数的注册过程,由系统调用sigaction
(用户空间) ->OsSigAction
(内核空间)完成绑定动作.
#include <signal.h>int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);int OsSigAction(int sig, const sigaction_t *act, sigaction_t *oact){UINTPTR addr;sigaction_t action;if (!GOOD_SIGNO(sig) || sig < 1 || act == NULL) {return -EINVAL;}//将数据从用户空间拷贝到内核空间if (LOS_ArchCopyFromUser(&action, act, sizeof(sigaction_t)) != LOS_OK) {return -EFAULT;}if (sig == SIGSYS) {//鸿蒙此处通过错误的系统调用 来安装信号处理函数,有点巧妙. addr = OsGetSigHandler();//获取进程信号处理函数if (addr == 0) {//进程没有设置信号处理函数时OsSetSigHandler((unsigned long)(UINTPTR)action.sa_handler);//设置进程信号处理函数——普通版return LOS_OK;}return -EINVAL;}return LOS_OK;}
* `sigaction(...)`第一个参数是要安装的信号; 第二个参数与sigaction函数同名的结构体,这里会让人很懵,函数名和结构体一直,没明白为毛要这么搞? 结构体内定义了信号处理方法;第三个为输出参数,将信号的当前的sigaction结构带回.但鸿蒙显然没有认真对待第三个参数.把`musl`实现给阉割了.
* 对结构体的`sigaction`鸿蒙目前只支持信号处理函数——普通版,`sa_handler`表示自定义信号处理函数,该函数返回值为void,可以带一个int参数,通过参数可以得知当前信号的编号,这样就可以用同一个函数处理多种信号。
* `sa_mask`指定信号处理程序执行过程中需要阻塞的信号。
* `sa_flags`字段包含一些选项,具体看注释
* `sa_sigaction`是实时信号的处理函数,`union`二选一.鸿蒙暂时不支持这种方式.
信号与任务的关系
typedef struct {//TCB中关于信号的信息sig_cb sig; //信号控制块,用于异步通信,类似于 linux singal模块
} LosTaskCB;
typedef struct {//信号控制块(描述符)sigset_t sigFlag; //不屏蔽的信号标签集sigset_t sigPendFlag; //信号阻塞标签集,记录因哪些信号被阻塞sigset_t sigprocmask; /* Signals that are blocked */ //进程屏蔽了哪些信号sq_queue_t sigactionq; //信号捕捉队列 LOS_DL_LIST waitList; //等待链表,上面挂的是等待信号到来的任务, 可查找 OsTaskWait(&sigcb->waitList, timeout, TRUE) 理解 sigset_t sigwaitmask; /* Waiting for pending signals */ //任务在等待阻塞信号siginfo_t sigunbinfo; /* Signal info when task unblocked */ //任务解锁时的信号信息sig_switch_context context; //信号切换上下文, 用于保存切换现场, 比如发生系统调用时的返回,涉及同一个任务的两个栈进行切换
} sig_cb;
解读
- 系列篇已多次说过,进程只是管理资源的容器,真正让cpu干活的是任务
task
,所以发给进程的信号最终还是需要分发给具体任务来处理.所以能想到的是关于任务部分会更复杂. context
信号处理很复杂的原因在于信号的发起在用户空间,发送需要系统调用,而处理信号的函数又是用户空间提供的, 所以需要反复的切换任务上下文.而且还有硬中断的问题,比如 ctrl + c ,需要从硬中断中回调用户空间的信号处理函数,处理完了再回到内核空间,最后回到用户空间.没听懂吧,我自己都说晕了,所以需要专门的一篇来说清楚信号的处理问题.本篇不展开说.sig_cb
结构体是任务处理信号的结构体,要响应,屏蔽哪些信号等等都由它完成,这个结构体虽不复杂,但是很绕,很难搞清楚它们之间的区别.笔者是经过一番痛苦的阅读理解后才明白各自的含义.并想通过用打比方的例子试图让大家明白.- 以下用追女孩打比方理解.任务相当于某个男,没错说的就是屏幕前的你,除了苦逼的码农谁会有耐心能坚持看到这里.64个信号对应64个女孩.允许一男同时追多个女孩,女孩也可同时被多个男追.女孩也可以主动追男的.理解如下:
waitList
等待信号的任务链表,上面挂的是因等待信号而被阻塞的任务.众男在排队追各自心爱的女孩们,处于无所事事的挂起的状态,等待女孩们的出现.sigwaitmask
任务在等待的信号集合,只有这些信号能唤醒任务.相当于列出喜欢的各位女孩,只要出现一位就能让你满血复活.sigprocmask
指任务对哪些信号不感冒.来了也不处理.相当于列出不喜欢的各位女孩,请她们别来骚扰你,嘚瑟.sigPendFlag
信号到达但并未唤醒任务.相当于喜欢你的女孩来追你,但她不在你喜欢的列表内,结果是不搭理人家继续等喜欢的出现.sigFlag
记录不屏蔽的信号集合,相当于你并不反感的女孩们.记录来过的那些女孩(除掉你不喜欢的).
信号发送过程
用户进程调用kill()
的过程如下:
kill(pid_t pid, int sig) - 系统调用
| 用户空间
---------------------------------------------------------------------------------------
| 内核空间
SysKill(...)
|---> OsKillLock(...)|---> OsKill(.., OS_USER_KILL_PERMISSION)|---> OsDispatch() //鉴权,向进程发送信号|---> OsSigProcessSend() //选择任务发送信号|---> OsSigProcessForeachChild(..,ForEachTaskCB handler,..)|---> SigProcessKillSigHandler() //处理 SIGKILL|---> OsTaskWake() //唤醒所有等待任务|---> OsSigEmptySet() //清空信号等待集|---> SigProcessSignalHandler()|---> OsTcbDispatch() //向目标任务发送信号|---> OsTaskWake() //唤醒任务|---> OsSigEmptySet() //清空信号等待集
流程
-
通过 系统调用
kill
陷入内核空间 -
因为是用户态进程,使用
OS_USER_KILL_PERMISSION
权限发送信号#define OS_KERNEL_KILL_PERMISSION 0U //内核态 kill 权限 #define OS_USER_KILL_PERMISSION 3U //用户态 kill 权限
-
鉴权之后进程轮询任务组,向目标任务发送信号.这里分三种情况:
SIGKILL
信号,将所有等待任务唤醒,拉入就绪队列等待被调度执行,并情况信号等待集- 非
SIGKILL
信号时,将通过sigwaitmask
和sigprocmask
过滤,找到一个任务向它发送信号OsTcbDispatch
.
代码细节
int OsKill(pid_t pid, int sig, int permission){siginfo_t info;int ret;/* Make sure that the para is valid */if (!GOOD_SIGNO(sig) || pid < 0) {//有效信号 [0,64]return -EINVAL;}if (OsProcessIDUserCheckInvalid(pid)) {//检查参数进程 return -ESRCH;}/* Create the siginfo structure */ //创建信号结构体info.si_signo = sig; //信号编号info.si_code = SI_USER; //来自用户进程信号info.si_value.sival_ptr = NULL;/* Send the signal */ret = OsDispatch(pid, &info, permission);//发送信号return ret;}//信号分发int OsDispatch(pid_t pid, siginfo_t *info, int permission){LosProcessCB *spcb = OS_PCB_FROM_PID(pid);//找到这个进程if (OsProcessIsUnused(spcb)) {//进程是否还在使用,不一定是当前进程但必须是个有效进程return -ESRCH;}#ifdef LOSCFG_SECURITY_CAPABILITY //启用能力安全模式LosProcessCB *current = OsCurrProcessGet();//获取当前进程/* If the process you want to kill had been inactive, but still exist. should return LOS_OK */if (OsProcessIsInactive(spcb)) {//如果要终止的进程处于非活动状态,但仍然存在,应该返回OKreturn LOS_OK;}/* Kernel process always has kill permission and user process should check permission *///内核进程总是有kill权限,用户进程需要检查权限if (OsProcessIsUserMode(current) && !(current->processStatus & OS_PROCESS_FLAG_EXIT)) {//用户进程检查能力范围if ((current != spcb) && (!IsCapPermit(CAP_KILL)) && (current->user->userID != spcb->user->userID)) {return -EPERM;}}#endifif ((permission == OS_USER_KILL_PERMISSION) && (OsSignalPermissionToCheck(spcb) < 0)) {return -EPERM;}return OsSigProcessSend(spcb, info);//给参数进程发送信号}//给参数进程发送参数信号int OsSigProcessSend(LosProcessCB *spcb, siginfo_t *sigInfo){int ret;struct ProcessSignalInfo info = {.sigInfo = sigInfo, //信号内容.defaultTcb = NULL, //以下四个值将在OsSigProcessForeachChild中根据条件完善.unblockedTcb = NULL,.awakenedTcb = NULL,.receivedTcb = NULL};//总之是要从进程中找个至少一个任务来接受这个信号,优先级//awakenedTcb > receivedTcb > unblockedTcb > defaultTcb/* visit all taskcb and dispatch signal */ //访问所有任务和分发信号if ((info.sigInfo != NULL) && (info.sigInfo->si_signo == SIGKILL)) {//需要干掉进程时 SIGKILL = 9, #linux kill 9 14(void)OsSigProcessForeachChild(spcb, SigProcessKillSigHandler, &info);//进程要被干掉了,通知所有task做善后处理OsSigAddSet(&spcb->sigShare, info.sigInfo->si_signo);OsWaitSignalToWakeProcess(spcb);//等待信号唤醒进程return 0;} else {ret = OsSigProcessForeachChild(spcb, SigProcessSignalHandler, &info);//进程通知所有task处理信号}if (ret < 0) {return ret;}SigProcessLoadTcb(&info, sigInfo);return 0;}//让进程的每一个task执行参数函数int OsSigProcessForeachChild(LosProcessCB *spcb, ForEachTaskCB handler, void *arg){int ret;/* Visit the main thread last (if present) */ LosTaskCB *taskCB = NULL;//遍历进程的 threadList 链表,里面存放的都是task节点LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(taskCB, &(spcb->threadSiblingList), LosTaskCB, threadList) {//遍历进程的任务列表ret = handler(taskCB, arg);//回调参数函数OS_RETURN_IF(ret != 0, ret);//这个宏的意思就是只有ret = 0时,啥也不处理.其余就返回 ret}return LOS_OK;}
- 如果是
SIGKILL
信号,让spcb
的所有任务执行SigProcessKillSigHandler
函数,查看旗下的所有任务是否又在等待这个信号的,如果有就将任务唤醒,放在就绪队列等待被调度执行.
//进程收到 SIGKILL 信号后,通知任务tcb处理.static int SigProcessKillSigHandler(LosTaskCB *tcb, void *arg){struct ProcessSignalInfo *info = (struct ProcessSignalInfo *)arg;//转参if ((tcb != NULL) && (info != NULL) && (info->sigInfo != NULL)) {//进程有信号sig_cb *sigcb = &tcb->sig;if (!LOS_ListEmpty(&sigcb->waitList) && OsSigIsMember(&sigcb->sigwaitmask, info->sigInfo->si_signo)) {//如果任务在等待这个信号OsTaskWake(tcb);//唤醒这个任务,加入进程的就绪队列,并不申请调度OsSigEmptySet(&sigcb->sigwaitmask);//清空信号等待位,不等任何信号了.因为这是SIGKILL信号}}return 0;}
- 非
SIGKILL
信号,让spcb
的所有任务执行SigProcessSignalHandler
函数
static int SigProcessSignalHandler(LosTaskCB *tcb, void *arg){struct ProcessSignalInfo *info = (struct ProcessSignalInfo *)arg;//先把参数解出来int ret;int isMember;if (tcb == NULL) {return 0;}/* If the default tcb is not setted, then set this one as default. */if (!info->defaultTcb) {//如果没有默认发送方的任务,即默认参数任务.info->defaultTcb = tcb;}isMember = OsSigIsMember(&tcb->sig.sigwaitmask, info->sigInfo->si_signo);//任务是否在等待这个信号if (isMember && (!info->awakenedTcb)) {//是在等待,并尚未向该任务时发送信号时/* This means the task is waiting for this signal. Stop looking for it and use this tcb.* The requirement is: if more than one task in this task group is waiting for the signal,* then only one indeterminate task in the group will receive the signal.*/ret = OsTcbDispatch(tcb, info->sigInfo);//发送信号,注意这是给其他任务发送信号,tcb不是当前任务OS_RETURN_IF(ret < 0, ret);//这种写法很有意思/* set this tcb as awakenedTcb */info->awakenedTcb = tcb;OS_RETURN_IF(info->receivedTcb != NULL, SIG_STOP_VISIT); /* Stop search */}/* Is this signal unblocked on this thread? */isMember = OsSigIsMember(&tcb->sig.sigprocmask, info->sigInfo->si_signo);//任务是否屏蔽了这个信号if ((!isMember) && (!info->receivedTcb) && (tcb != info->awakenedTcb)) {//没有屏蔽,有唤醒任务没有接收任务./* if unblockedTcb of this signal is not setted, then set it. */if (!info->unblockedTcb) {info->unblockedTcb = tcb;}ret = OsTcbDispatch(tcb, info->sigInfo);//向任务发送信号OS_RETURN_IF(ret < 0, ret);/* set this tcb as receivedTcb */info->receivedTcb = tcb;//设置这个任务为接收任务OS_RETURN_IF(info->awakenedTcb != NULL, SIG_STOP_VISIT); /* Stop search */}return 0; /* Keep searching */}
解读
- 函数的意思是,当进程中有多个任务在等待这个信号时,发送信号给第一个等待的任务
awakenedTcb
. - 如果没有任务在等待信号,那就从不屏蔽这个信号的任务集中随机找一个
receivedTcb
接受信号. - 只要不屏蔽
unblockedTcb
就有值,随机的. - 如果上面的都不满足,信号发送给
defaultTcb
. - 寻找发送任务的优先级是
awakenedTcb
>receivedTcb
>unblockedTcb
>defaultTcb
信号相关函数
信号集操作函数
- sigemptyset(sigset_t *set):信号集全部清0;
- sigfillset(sigset_t *set): 信号集全部置1,则信号集包含linux支持的64种信号;
- sigaddset(sigset_t *set, int signum):向信号集中加入signum信号;
- sigdelset(sigset_t *set, int signum):向信号集中删除signum信号;
- sigismember(const sigset_t *set, int signum):判定信号signum是否存在信号集中。
信号阻塞函数
- sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)); 不同how参数,实现不同功能
- SIG_BLOCK:将set指向信号集中的信号,添加到进程阻塞信号集;
- SIG_UNBLOCK:将set指向信号集中的信号,从进程阻塞信号集删除;
- SIG_SETMASK:将set指向信号集中的信号,设置成进程阻塞信号集;
- sigpending(sigset_t *set)):获取已发送到进程,却被阻塞的所有信号;
- sigsuspend(const sigset_t *mask)):用mask代替进程的原有掩码,并暂停进程执行,直到收到信号再恢复原有掩码并继续执行进程。
经常有很多小伙伴抱怨说:不知道学习鸿蒙开发哪些技术?不知道需要重点掌握哪些鸿蒙应用开发知识点?
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如何快速入门?
1.基本概念
2.构建第一个ArkTS应用
3.……
开发基础知识:
1.应用基础知识
2.配置文件
3.应用数据管理
4.应用安全管理
5.应用隐私保护
6.三方应用调用管控机制
7.资源分类与访问
8.学习ArkTS语言
9.……
基于ArkTS 开发
1.Ability开发
2.UI开发
3.公共事件与通知
4.窗口管理
5.媒体
6.安全
7.网络与链接
8.电话服务
9.数据管理
10.后台任务(Background Task)管理
11.设备管理
12.设备使用信息统计
13.DFX
14.国际化开发
15.折叠屏系列
16.……
鸿蒙开发面试真题(含参考答案):https://gitcode.com/HarmonyOS_MN
OpenHarmony 开发环境搭建
《OpenHarmony源码解析》:https://gitcode.com/HarmonyOS_MN
- 搭建开发环境
- Windows 开发环境的搭建
- Ubuntu 开发环境搭建
- Linux 与 Windows 之间的文件共享
- ……
- 系统架构分析
- 构建子系统
- 启动流程
- 子系统
- 分布式任务调度子系统
- 分布式通信子系统
- 驱动子系统
- ……
OpenHarmony 设备开发学习手册:https://gitcode.com/HarmonyOS_MN
写在最后
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