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linux内核中异步通知机制--信号处理机制

http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/23168363

什么是异步通知:很简单,一旦设备准备好,就主动通知应用程序,这种情况下应用程序就不需要查询设备状态, 特像硬件上常提的“中断的概念”。 比较准确的说法其实应该叫做“信号驱动的异步I/O”,信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟。阻塞I/O意味着一直等待设备可访问再访问,非阻塞I/O意味着使用poll()来查询是否可访问,而异步通知则意味着设备通知应用程序自身可访问。(希望用这么一句话能表达我的意思)

一、系统中存在的异步机制

我认为异步机制是一种理念,并不是某一种具体实现,同步/异步的核心理解应该是如何获取消息的问题,你自身(在计算机中当然是进程本身了)亲自去获取消息,那么就是同步机制,但是如果别人使用某种方式通知你某一个消息,那么你采用的就是异步机制。内核中使用到异步机制的大概有:信号,这是一种进程间通信的异步机制;epoll,这是一种高效处理IO的异步通信机制。也就是从通信和IO两个方面通过不同的方式使用了异步机制。(可能还有别的,暂时不知道)

下面进入正题:

二、信号的基本概念

1)信号的本质

软中断信号(signal,又简称为信号)用来通知进程发生了异步事件。在软件层次上是对中断机制的一种模拟,在原理上,一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制,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。进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号,通知进程发生了某个事件。信号机制除了基本通知功能外,还可以传递附加信息。

收到信号的进程对各种信号有不同的处理方法。处理方法可以分为三类:
第一种是类似中断的处理程序,对于需要处理的信号,进程可以指定处理函数,由该函数来处理。
第二种方法是,忽略某个信号,对该信号不做任何处理,就象未发生过一样。
第三种方法是,对该信号的处理保留系统的默认值,这种缺省操作,对大部分的信号的缺省操作是使得进程终止。进程通过系统调用signal来指定进程对某个信号的处理行为。

在进程表的表项中有一个软中断信号域,该域中每一位对应一个信号,当有信号发送给进程时,对应位置位。由此可以看出,进程对不同的信号可以同时保留,但对于同一个信号,进程并不知道在处理之前来过多少个。

2)信号的种类

可以从两个不同的分类角度对信号进行分类:
可靠性方面:可靠信号与不可靠信号;
与时间的关系上:实时信号与非实时信号。

3)可靠信号与不可靠信号

Linux信号机制基本上是从Unix系统中继承过来的。早期Unix系统中的信号机制比较简单和原始,信号值小于SIGRTMIN的信号都是不可靠信号。这就是"不可靠信号"的来源。它的主要问题是信号可能丢失。

随着时间的发展,实践证明了有必要对信号的原始机制加以改进和扩充。由于原来定义的信号已有许多应用,不好再做改动,最终只好又新增加了一些信号,并在一开始就把它们定义为可靠信号,这些信号支持排队,不会丢失。

信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号,可靠信号克服了信号可能丢失的问题。Linux在支持新版本的信号安装函数sigation()以及信号发送函数sigqueue()的同时,仍然支持早期的signal()信号安装函数,支持信号发送函数kill()。

信号的可靠与不可靠只与信号值有关,与信号的发送及安装函数无关。目前linux中的signal()是通过sigation()函数实现的,因此,即使通过signal()安装的信号,在信号处理函数的结尾也不必再调用一次信号安装函数。同时,由signal()安装的实时信号支持排队,同样不会丢失。

对于目前linux的两个信号安装函数:signal()及sigaction()来说,它们都不能把SIGRTMIN以前的信号变成可靠信号(都不支持排队,仍有可能丢失,仍然是不可靠信号),而且对SIGRTMIN以后的信号都支持排队。这两个函数的最大区别在于,经过sigaction安装的信号都能传递信息给信号处理函数,而经过signal安装的信号不能向信号处理函数传递信息。对于信号发送函数来说也是一样的。

4)实时信号与非实时信号

早期Unix系统只定义了32种信号,前32种信号已经有了预定义值,每个信号有了确定的用途及含义,并且每种信号都有各自的缺省动作。如按键盘的CTRL ^C时,会产生SIGINT信号,对该信号的默认反应就是进程终止。后32个信号表示实时信号,等同于前面阐述的可靠信号。这保证了发送的多个实时信号都被接收。

非实时信号都不支持排队,都是不可靠信号;实时信号都支持排队,都是可靠信号。

5)linux 下信号的生命周期如下:

在目的进程中安装该信号。即是设置捕获该信号时进程进程该执行的操作码。采用signal();sigaction()系统调用来实现。
信号被某个进程产生,同时设置该信号的目的进程(使用pid),之后交给操作系统进行管理。采用kill()、arise()、alarm()等系统调用来实现。
信号在目的进程被注册。信号被添加进进程的PCB(task_struct)中相关的数据结构里——未决信号的数据成员。信号在进程中注册就是把信号值加入到进程的未决信号集里。并且,信号携带的其他信息被保留到未决信的队列的某个sigqueue结构中。
信号在进程中注销。在执行信号处理函数前,要把信号在进程中注销。对于非实时信号(不可靠信号),其在信号未决信号信息链中最多只有一个sigqueue结构,因此该结构被释放后,相应的信号要在未决信号集删除。而实时信号(可靠信号),如果有多个sigqueue,则不会把信号从进程的未决信号集中删除。
信号生命的终结。进程终止当前的工作,保护上下文,执行信号处理函数,之后回复。如果内核是可抢占的,那么还需要调度。

三、信 号 机 制

上 一节中介绍了信号的基本概念,在这一节中,我们将介绍内核如何实现信号机制。即内核如何向一个进程发送信号、进程如何接收一个信号、进程怎样控制自己对信 号的反应、内核在什么时机处理和怎样处理进程收到的信号。还要介绍一下setjmp和longjmp在信号中起到的作用。

1、内核对信号的基本处理方法

内核给一个进程发送软中断信号的方法,是在进程所在的进程表项的信号域设置对应于该信号的位。这里要补充的是,如果信号发送给一个正在睡眠的进程,那么要看 该进程进入睡眠的优先级,如果进程睡眠在可被中断的优先级上,则唤醒进程;否则仅设置进程表中信号域相应的位,而不唤醒进程。这一点比较重要,因为进程检 查是否收到信号的时机是:一个进程在即将从内核态返回到用户态时;或者,在一个进程要进入或离开一个适当的低调度优先级睡眠状态时。

进程的task_struct结构中有关于本进程中未决信号的数据成员:struct sigpending pending:

1
2
3
4
struct sigpending{
	struct sigqueue *head, *tail;
	sigset_t signal;
};

第三个成员是进程中所有未决信号集,第一、第二个成员分别指向一个sigqueue类型的结构链(称之为"未决信号信息链")的首尾,信息链中的每个sigqueue结构刻画一个特定信号所携带的信息,并指向下一个sigqueue结构:

1
2
3
4
struct sigqueue{
	struct sigqueue *next;
	siginfo_t info;
}

信号在进程中注册指的就是信号值加入到进程的未决信号集sigset_t signal(每个信号占用一位)中,并且信号所携带的信息被保留到未决信号信息链的某个sigqueue结构中。只要信号在进程的未决信号集中,表明进程已经知道这些信号的存在,但还没来得及处理,或者该信号被进程阻塞。

当一个实时信号发送给一个进程时,不管该信号是否已经在进程中注册,都会被再注册一次,因此,信号不会丢失,因此,实时信号又叫做"可靠信号"。这意味着同一个实时信号可以在同一个进程的未决信号信息链中占有多个sigqueue结构(进程每收到一个实时信号,都会为它分配一个结构来登记该信号信息,并把该结构添加在未决信号链尾,即所有诞生的实时信号都会在目标进程中注册)。

当一个非实时信号发送给一个进程时,如果该信号已经在进程中注册(通过sigset_t signal指示),则该信号将被丢弃,造成信号丢失。因此,非实时信号又叫做"不可靠信号"。这意味着同一个非实时信号在进程的未决信号信息链中,至多占有一个sigqueue结构。

总之信号注册与否,与发送信号的函数(如kill()或sigqueue()等)以及信号安装函数(signal()及sigaction())无关,只与信号值有关(信号值小于SIGRTMIN的信号最多只注册一次,信号值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之间的信号,只要被进程接收到就被注册)

内核处理一个进程收到的信号的时机是在一个进程从内核态返回用户态时。所以,当一个进程在内核态下运行时,软中断信号并不立即起作用,要等到将返回用户态时才处理。进程只有处理完信号才会返回用户态,进程在用户态下不会有未处理完的信号。

内核处理一个进程收到的软中断信号是在该进程的上下文中,因此,进程必须处于运行状态。前面介绍概念的时候讲过,处理信号有三种类型:进程接收到信号后退 出;进程忽略该信号;进程收到信号后执行用户设定用系统调用signal的函数。当进程接收到一个它忽略的信号时,进程丢弃该信号,就象没有收到该信号似 的继续运行。如果进程收到一个要捕捉的信号,那么进程从内核态返回用户态时执行用户定义的函数。而且执行用户定义的函数的方法很巧妙,内核是在用户栈上创 建一个新的层,该层中将返回地址的值设置成用户定义的处理函数的地址,这样进程从内核返回弹出栈顶时就返回到用户定义的函数处,从函数返回再弹出栈顶时, 才返回原先进入内核的地方。这样做的原因是用户定义的处理函数不能且不允许在内核态下执行(如果用户定义的函数在内核态下运行的话,用户就可以获得任何权 限)。

对于非实时信号来说,由于在未决信号信息链中最多只占用一个sigqueue结构,因此该结构被释放后,应该把信号在进程未决信号集中删除(信号注销完毕);而对于实时信号来说,可能在未决信号信息链中占用多个sigqueue结构,因此应该针对占用sigqueue结构的数目区别对待:如果只占用一个sigqueue结构(进程只收到该信号一次),则执行完相应的处理函数后应该把信号在进程的未决信号集中删除(信号注销完毕)。否则待该信号的所有sigqueue处理完毕后再在进程的未决信号集中删除该信号。

当所有未被屏蔽的信号都处理完毕后,即可返回用户空间。对于被屏蔽的信号,当取消屏蔽后,在返回到用户空间时会再次执行上述检查处理的一套流程。

在信号的处理方法中有几点特别要引起注意。

第一,在一些系统中,当一个进程处理完中断信号返回用户态之前,内核清除用户区中设 定的对该信号的处理例程的地址,即下一次进程对该信号的处理方法又改为默认值,除非在下一次信号到来之前再次使用signal系统调用。这可能会使得进程 在调用signal之前又得到该信号而导致退出。在BSD中,内核不再清除该地址。但不清除该地址可能使得进程因为过多过快的得到某个信号而导致堆栈溢 出。为了避免出现上述情况。在BSD系统中,内核模拟了对硬件中断的处理方法,即在处理某个中断时,阻止接收新的该类中断。

第二个要 引起注意的是,如果要捕捉的信号发生于进程正在一个系统调用中时,并且该进程睡眠在可中断的优先级上,这时该信号引起进程作一次longjmp,跳出睡眠 状态,返回用户态并执行信号处理例程。当从信号处理例程返回时,进程就象从系统调用返回一样,但返回了一个错误代码,指出该次系统调用曾经被中断。这要注 意的是,BSD系统中内核可以自动地重新开始系统调用。

第三个要注意的地方:若进程睡眠在可中断的优先级上,则当它收到一个要忽略的信号时,该进程被唤醒,但不做longjmp,一般是继续睡眠。但用户感觉不到进程曾经被唤醒,而是象没有发生过该信号一样。

第四个要注意的地方:内核对子进程终止(SIGCLD)信号的处理方法与其他信号有所区别。当进程检查出收到了一个子进程终止的信号时,缺省情况下,该进程 就象没有收到该信号似的,如果父进程执行了系统调用wait,进程将从系统调用wait中醒来并返回wait调用,执行一系列wait调用的后续操作(找 出僵死的子进程,释放子进程的进程表项),然后从wait中返回。SIGCLD信号的作用是唤醒一个睡眠在可被中断优先级上的进程。如果该进程捕捉了这个 信号,就象普通信号处理一样转到处理例程。如果进程忽略该信号,那么系统调用wait的动作就有所不同,因为SIGCLD的作用仅仅是唤醒一个睡眠在可被 中断优先级上的进程,那么执行wait调用的父进程被唤醒继续执行wait调用的后续操作,然后等待其他的子进程。

如果一个进程调用signal系统调用,并设置了SIGCLD的处理方法,并且该进程有子进程处于僵死状态,则内核将向该进程发一个SIGCLD信号。

2、setjmp和longjmp的作用

前面在介绍信号处理机制时,多次提到了setjmp和longjmp,但没有仔细说明它们的作用和实现方法。这里就此作一个简单的介绍。
在 介绍信号的时候,我们看到多个地方要求进程在检查收到信号后,从原来的系统调用中直接返回,而不是等到该调用完成。这种进程突然改变其上下文的情况,就是 使用setjmp和longjmp的结果。setjmp将保存的上下文存入用户区,并继续在旧的上下文中执行。这就是说,进程执行一个系统调用,当因为资 源或其他原因要去睡眠时,内核为进程作了一次setjmp,如果在睡眠中被信号唤醒,进程不能再进入睡眠时,内核为进程调用longjmp,该操作是内核 为进程将原先setjmp调用保存在进程用户区的上下文恢复成现在的上下文,这样就使得进程可以恢复等待资源前的状态,而且内核为setjmp返回1,使 得进程知道该次系统调用失败。这就是它们的作用。