鸿蒙内核源码分析：如何安装和发送信号?

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,在发展了50年之后,许多方面都没有发生太大的变化.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.鉴于此,系列篇将分成两篇说明,本篇为信号生产篇

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；

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；

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 
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OK
            return 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;
            }
        }
    #endif
        if ((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。

编辑：hfy