Linux内核信号处理机制介绍

On October 9, 2010, in linux, linux内核, by sponge

本文简单介绍下Linux信号处理机制,为介绍二进制翻译下信号处理机制做一个铺垫。
本文主要参考书目《Linux内核源代码情景分析》《独辟蹊径品内核:Linux内核源代码导读》
首先,先说一下什么是信号。信号本质上是在软件层次上对中断机制的一种模拟,其主要有以下几种来源:

  1. 程序错误:除零,非法内存访问…
  2. 外部信号:终端Ctrl-C产生SGINT信号,定时器到期产生SIGALRM…
  3. 显式请求:kill函数允许进程发送任何信号给其他进程或进程组。

在Linux下,可以通过以下命令查看系统所有的信号:

kill -l

可以通过类似下面的命令显式的给一个进程发送一个信号:

kill -2 pid

上面的命令将2号信号发送给进程id为pid的进程。不存在编号为0的信号。

目前Linux支持64种信号。信号分为非实时信号(不可靠信号)和实时信号(可靠信号)两种类型,对应于 Linux 的信号值为 1-31 和 34-64。信号是异步的,一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达,事实上,进程也不知道信号到底什么时候到达。本文着重于Linux的信号处理机制,对信号更多的介绍可以参考这里

一般情况下一个进程接受到信号后,会有如下的行为:

进程对信号的响应

  1. 忽略信号:大部分信号可被忽略,除SIGSTOP和SIGKILL信号外(这是超级用户杀掉或停掉任意进程的手段)。
  2. 捕获信号:注册信号处理函数,它对产生的特定信号做处理。
  3. 让信号默认动作起作用:unix内核定义的默认动作,有5种情况:
    • a) 流产abort:终止进程并产生core文件。
    • b) 终止stop:终止进程但不生成core文件。
    • c) 忽略:忽略信号。
    • d) 挂起suspend:挂起进程。
    • e) 继续continue:若进程是挂起的,则resume进程,否则忽略此信号。

注册信号处理函数

如果想要进程捕获某个信号,然后作出相应的处理,就需要注册信号处理函数。同中断类似,内核也为每个进程准备了一个信号向量表,信号向量表中记录着每个信号所对应的处理机制,默认情况下是调用默认处理机制。当进程为某个信号注册了信号处理程序后,发生该信号时,内核就会调用注册的函数。

注册信号处理函数是通过系统调用signal()、sigaction()。其中signal()在可靠信号系统调用的基础上实现, 是库函数。它只有两个参数,不支持信号传递信息,主要是用于前32种非实时信号的安装;而sigaction()是较新的函数(由两个系统调用实 现:sys_signal以及sys_rt_sigaction),有三个参数,支持信号传递信息,主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用,当然,sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。关于这方面的内容,如果想获取更多,也可参考这里

Linux下信号处理机制

进程如何发现和接受信号?

我们知道,信号是异步的,一个进程不可能等待信号的到来,也不知道信号会到来,那么,进程是如何发现和接受信号呢?实际上,信号的接收不是由用户进程来完成的,而是由内核代理。当一个进程P2向另一个进程P1发送信号后,内核接受到信号,并将其放在P1的信号队列当中。当P1再次陷入内核态时,会检查信号队列,并根据相应的信号调取相应的信号处理函数。如下图所示:


其中,动作c:发现和捕捉信号

信号检测和响应时机

刚才我们说,当P1再次陷入内核时,会检查信号队列。那么,P1什么时候会再次陷入内核呢?陷入内核后在什么时机会检测信号队列呢?

  1. 当前进程由于系统调用、中断或异常而进入系统空间以后,从系统空间返回到用户空间的前夕。
  2. 当前进程在内核中进入睡眠以后刚被唤醒的时候(必定是在系统调用中),或者由于不可忽略信号的存在而提前返回到用户空间。

进入信号处理函数

发现信号后,根据信号向量,知道了处理函数,那么该如何进入信号处理程序,又该如何返回呢?

我们知道,用户进程提供的信号处理函数是在用户态里的,而我们发现信号,找到信号处理函数的时刻处于内核态中,所以我们需要从内核态跑到用户态去执行信号处理程序,执行完毕后还要返回内核态。这个过程如下图所示:

如图中所见,处理信号的整个过程是这样的:进程由于  系统调用或者中断  进入内核,完成相应任务返回用户空间的前夕,检查信号队列,如果有信号,则根据信号向量表找到信号处理函数,设置好“frame”后,跳到用户态执行信号处理函数。信号处理函数执行完毕后,返回内核态,设置“frame”,再返回到用户态继续执行程序。

在上面这段话中,我提到“frame”,frame是什么?那么为什么要设置frame?为什么在执行完信号处理函数后还要返回内核态呢?

什么叫Frame?

在调用一个子程序时,堆栈要往下(逻辑意义上是往上)伸展,这是因为需要在堆栈中保存子程序的返回地址,还因为子程序往往有局部变量,也要占用堆栈中的空间。此外,调用子程序时的参数也是在堆栈中。子程序调用嵌套越深,则堆栈伸展的层次也越多。在堆栈中的每一个这样的层次,就称为一个”框架”,即frame。

一般来说,当子程序和调用它的程序在同一空间中时,堆栈的伸展,也就是堆栈中框架的建立,过程主要如下:

  1. call指令将返回地址压入堆栈(自动)
  2. 用push指令压入调用参数
  3. 调整堆栈指针来分配局部变量

为什么以及怎么设置frame?

我们知道,当进程陷入内核态的时候,会在堆栈中保存中断现场。因为用户态和内核态是两个运行级别,所以要使用两个不同的栈。当用户进程通过系统调用刚进入内核的时候,CPU会自动在该进程的内核栈上压入下图所示的内容:(图来自《Linux内核完全注释》)

在处理完系统调用以后,就要调用do_signal()函数进行设置frame等工作。这时内核堆栈的状态应该跟下图左半部分类似(系统调用将一些信息压入栈了):

在找到了信号处理函数之后,do_signal函数首先把内核堆栈中存放返回执行点的eip保存为old_eip,然后将eip替换为信号处理函数的地址,然后将内核中保存的“原ESP”(即用户态栈地址)减去一定的值,目的是扩大用户态的栈,然后将内核栈上的内容保存到用户栈上,这个过程就是设置frame.值得注意的是下面两点:

  1. 之所以把EIP的值设置成信号处理函数的地址,是因为一旦进程返回用户态,就要去执行信号处理程序,所以EIP要指向信号处理程序而不是原来应该执行的地址。
  2. 之所以要把frame从内核栈拷贝到用户栈,是因为进程从内核态返回用户态会清理这次调用所用到的内核栈(类似函数调用),内核栈又太小,不能单纯的在栈上保存另一个frame(想象一下嵌套信号处理),而我们需要EAX(系统调用返回值)、EIP这些信息以便执行完信号处理函数后能继续执行程序,所以把它们拷贝到用户态栈以保存起来。

以上这些搞清楚之后,下面的事情就顺利多了。这时进程返回用户空间,就会根据内核栈中的EIP值执行信号处理函数。那么,信号处理程序执行完后,怎么返回程序继续执行呢?

信号处理函数执行完后怎么办?

信号处理程序执行完毕之后,进程会主动调用sigreturn()系统调用再次回到内核,查看有没有其他信号需要处理,如果没有,这时内核就会做一些善后工作,将之前保存的frame恢复到内核栈,恢复eip的值为old_eip,然后返回用户空间,程序就能够继续执行。至此,内核遍完成了一次(或几次)信号处理工作。

欢迎大家进行讨论,如果有问题,可以留言或者发信给我,我将最快时间内答复!

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20 Responses to “Linux内核信号处理机制介绍”

  1. 编译点滴 says:

    好文!
    你说程序要保持两个栈,一个在用户态、一个在内核态。每个进程都要有这样两个栈吗?两个栈之间是什么关系?能否详细讲讲?
    我的理解:在系统调用或中断时,因为需要陷入内核态。所以要在内核中保存一些程序运行信息。当从系统调用或者中断中返回时,这些信息用于恢复现场。至于为什么要用栈来保存这些信息,是不是因为可能存在嵌套的中断或者系统调用?

    • sponge says:

      @编译点滴:
      1、每个进程都有这么两个栈。内核负责为每个进程维护其内核栈。其中系统栈的大小是确定的。
      2、你的理解基本正确,陷入内核后,要切换到内核栈,并会把用户栈的ESP,EFLAGS,EIP等信息记录在内核栈中,用户恢复现场。
      3、至于为什么用栈来保存,你理解的是一个方面,嵌套中断是会经常发生的。另一方面就是内核中本身也有函数调用,自然需要栈。

      • 龙湾seo says:

        所以忍不住留言了,当然也算是灌水感谢一下。版主加油!支持你!最近逛了一些博客,很多都很有创意,不过也有些看来看去好多都是相互转载的文章,没有多少是原创的,看多了也眼睛疲劳了,但是版主你这个博客还可以,终于有点新鲜感,瑞安seo

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  3. RockU says:

    楼主强人!
    我之前一直对这个问题有疑问,看完你的图文并茂的讲解,很快就懂了,谢谢:)

  4. Jinfeng says:

    楼主你好,看了你这篇文章我更加有疑惑了, : - )
    这里有一段程序,我在主程序中进入死循环,这个程序就会一直处于就绪状态(不确定),而且在死循环中不会调用系统调用。那么为什么内核还会处理信号呢?调度程序发现alarm值小于jiffies,就会向进程发送SIGALARM信号,然后清alarm值,难道不是仅仅这些?请帮忙解决一下哈!多谢多谢!
    #include
    #include

    static void alarm_handler(int signo)
    {
    printf("3 seconds end.\n");
    alarm(3);
    }

    int main(void)
    {
    // 该程序仅仅做测试,故无错误检查
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = alarm_handler;
    act.sa_flags = 0;
    sigempty(&act.sa_mask);

    sigaction(SIGALRM, &act, NULL);

    alarm(3);
    while(1);

    return 0;
    }

    • Jackwong says:

      除了系统调用,中断也可以打断死循环的执行。CPU在处理完中断切回到进程时,进程获得了从内核态返回到用户态的机会。

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  8. owentang says:

    楼主,
    你好,看了你这篇文件非常感触.最近发现一个问题,通过setitimer设置一个定时器每隔5s,发一个alarm信号,但是有一次系统全部用到alarm定时都全部失效.系统重启才恢复正常.这个估计哪里出了问题?

    signal(SIGALRM, alarm_handler);

    timerval.it_interval.tv_sec = INTERVAL;
    timerval.it_interval.tv_usec = 0;
    timerval.it_value.tv_sec = INTERVAL;
    timerval.it_value.tv_usec = 0;

    if (setitimer(ITIMER_REAL, &timerval, NULL) < 0) {
    ERR("%s(%d): setitimer fail\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    goto err;
    }

  9. [...] 具体的可参考http://www.spongeliu.com/165.html Linux内核信号处理机制介绍 [...]

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