一、信号的发送

什么是信号的发送？？

与其说是给进程发送信号，倒不如说是给进程的PCB结构体发信号

1、比特位为0或者为1，表明是否收到。

2、比特位的位置是第几个，表明的是信号的编号。

3、所谓的“发信号”，本质就是OS去修改task_struct的信号位图对应的比特位。所以其实是“写信号”！！

——>这也就是为什么信号必须由OS发送，因为OS是进程的管理者！！只有它才有资格修改task_struct内的属性！！

 问题：PCB内部采用位图来接受普通信号，可是如果我发送了很多次相同的信号呢？？你的位图是能保存一次怎么办？？

——> 本来这种设计方案就只能保存1次，假设你一直没能处理该信号，而又接受了很多次该信号，那么其实也只能算一次，其他的就会丢失掉。这就好比你妈喊你吃饭，不管他喊了你多少次你没有下去，但是最终你其实都是会下去吃饭的，   而如果是实时信号，就必须得立即处理了，发了几次就得执行几次，不能丢失！！

二、信号的保存

为什么需要有信号保存？？

——>因为进程收到信号后，可能不会立即处理这个信号，所以就需要有一个时间窗口

2.1 信号的一些相关概念

1、实际执行信号的处理动作称为 信号递达 （handler表）

2、信号从产生到递达之间的状态，叫做 信号未决 （pending表）

3、进程可以选择阻塞某个信号  （block表）

4、被阻塞的信号产生时将保存在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作

5、阻塞和忽略是不同的（未读和已读不回），只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是递达之后可以选择的一种处理动作！！

 2.2 内核中的表示

    进程内部有关信号部分维护了3张表，block表（被阻塞的信号）和pending表（接受但未处理的信号）是位图结构，而handler表是函数指针数组表示处理动作。

SIG_DFL : 默认动作

SIG_IGN：忽略  

    而如果我们用户捕获信号设置了自定义方法，就可以将该方法的函数指针填到handler表中！

 2.3 sigset_t

        三张表都是OS内部的内核数据结构，所以你用户想读或者是想改就必须由系统调用接口!! 关键是获取这些表也存在位图，所以这也就意味着我们需要在用户层和内核层之间进行数据拷贝（参数设计上需要有输入型参数和输出型参数）。然后他就设计出了一个信号集数据类型sigset_t ，本质上就是被封装起来的位图结构。

问题：为什么要这样设计呢？？sigset_t本质上部就是一个unsigned int类型吗？？

——>（1）这样设计后期更具有拓展性 （2）防止你随意进行位操作 （3）跨平台保证可移植性 

 2.4 信号集操作函数

 2.5 sigprocmask和sigpending

调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字(阻塞信号集)。  

 sigpending：读取当前进程的未决信号集（pending）,通过set参数传出。

 尝试屏蔽2号信号  打印pending表

 尝试先屏蔽2号信号 然后再解除  

 问题：那我们如果将所有的信号都进行屏蔽，信号不就不会被处理了么？？

——>OS在忽略的时候对9和19号信号防了一手，那么自然就也会在屏蔽信号这里防止9和19号被屏蔽！！

三、信号处理

信号是什么时候被处理的？？

——>当我们的进程从内核态返回到用户态的时候，进行信号的检测和处理！！ 

3.1 重谈进程地址空间 

解析：

（1）我们之前所谈到的进程地址空间大多数谈的都是用户区，但是从3GB——4GB的位置是内核区，内核区也有一张自己的内核级页表。映射到OS的代码和数据（打开OS的时间就预先加载起来了）

（2）调用系统调用的本质就是OS自动做“身份切换”，从用户态进入内核态，转化为汇编叫做int 80 （陷入内核）

问题1：我怎么知道当前访问的是用户层还是内核层？？

——>CR3寄存器存储的是页表的地址，而ecs寄存器中有两个bit位表示当前处于内核态还是出于用户态（00表示内核态 11表示用户态）    用来帮助OS判断当前访问了什么态，如果当前是用户态但是却访问了操作系统的代码和数据，就会拦截你！

问题2：用户页表有几份？内核页表有几份？？ 

——>用户页表，有几个进程就有几份，因为进程具有独立性，而内核级页表只有一份！！

——>说明每一个进程看到的3-4GB的东西都是一样的！！整个系统中进程再怎么切换，3-4GB映射的内容是不变的！！

问题3：进程和OS的视角是怎样的？

——>（1）进程视角：我们调用系统重的方法，就是在我自己的地址空间中进行的！

（2）OS视角：任何时刻都有进程执行，我们想执行OS代码就可以随时调度去执行！！

问题4：OS调度进程的执行，可OS也是一个进程啊，那谁来调度他呢？？他的本质是什么？？

——>操作系统的本质是基于时间中断的一个死循环！！

——>在计算机硬件中，有一个时钟芯片，每隔很短的时候，向计算机发送时钟中断。由该硬件来督促OS的执行

问题5：时间芯片是如何督促OS的？？

 ——>首先OS在被启动的时候，必然会先初始化一些必须的资源。在那以后他就会在那不断调用pause函数在那等芯片每隔一段时间来驱动自己！！

 ——>每当时钟响了以后（芯片发送时间中断信号），OS就会执行一些被规定好的检查工作，比如说看看当前正在被调度的进程的时间片是否到了，如果到了就把他从cpu上剥离下来！！

 ——>所以外部的设备的中断不一定会出现（跟外设做数据的交互），但是时钟中断必然每隔一段时间就会来一次（进行进程调度或者是其他检查工作）

3.2 信号的处理全过程示意图

 存在2种情况 

情况1（没有设置自定义方法）：用户态（执行常规指令）——>内核态（遇到系统调用或者中断、异常之后陷入）——>用户态（返回用户态之前，处理一下当前的信号，因为是内置的方法 所以顺便处理完了正好出来 从中断的地方继续执行 ）

情况2（没有设置自定义方法）：用户态——>内核态——>用户态（和之前不同的是，这次自定义的方法在用户态，所以必须要先出去）——>内核态（自定义方法调用完后会自动通过sigreturn返回内核  响应信号）——>用户态（返回上次中断的地方继续执行）

问题： 通过系统调用、中断、异常进入内核态我可以理解，可如果我就是一个while循环里面也没有任何系统调用，那我是不是就不会进入内核态了？？

——> 不是！！ 千万要记住不光光只有系统调用、中断、异常会进入内核态，还有时钟芯片定期驱动OS！！进程是会被调度的！！ 当你时间片到了被检测到的时候，你这个进程就会从cpu上被剥离下来，然后该进程的PCB会被暂时链入到等待队列中，上下文信息也会暂时被保存起来，而当你二次调度的时候必然需要将一些上下文信息恢复到cpu上，所以这个过程必然会进入到内核态中！！

——>所以我们会有无数次机会从用户态到内核态！！不用担心处理不了信号！！

 3.3 信号的处理方法

sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0,出错则返回- 1。

sa_handler是方法

问题1：pending位图是什么时候从1->0的？？ 

——>先清0，再调用

验证方法： 捕捉信号后，然后在自定义的方法里打印pending表

 问题2：信号被处理时，对应的信号也会被添加到block表中，防止信号捕捉被嵌套使用

——> 正在处理2信号的时候，会将2信号的block表屏蔽掉，这样保证在处理2信号的时候，新的2信号不可被递达，   意思就是必须要等到这个2号处理完，才能处理新的2号！！

——> 这是为了防止OS一直忙于某种信号的处理，从而引发的嵌套调用（因为自定义函数里可能会再次发送该信号）

——>比方说我们再准备捕捉2号信号之前，我们是先把pending由1->0,然后当我们进入自定义函数的时候还是有可能接受到新的2信号，pending由0->1，而此时如果再进入内核态，那么从内核态出去用户态的时候，当前的2都还没处理完呢，又检测到pending表的1然后接着处理新的2号，此时就会陷入处理2号信号的死循环！！

验证方法：故意在handler方法里写个死循环（意思就是捕获之后就不返回了），这样当我们第二次发送2号信号的时候，那么该信号就会被阻塞到pending表中，我们再打印出来看即可！

问题3：as_mask是什么？？

——>as_mask是存放需要手动屏蔽的信号！！ 

——>比如当前我们处理2号信号的时候，他会顺便把所有sa_mask里面bit位为1的信号也顺带屏蔽了！

四、信号所引发的其他子问题

信号具有从当前执行流直接跳转到别的执行流的能力，因此可能会引发以下的一些子问题 

4.1 可重入函数

下图出问题的原因就是：本来insert应该是main函数的执行流里调用的，但（1）insert还没调用完呢就跳转过去执行信号捕捉sighandle了，此时sighandle这个执行流又再次调用了insert，此时insert这个函数被重复进入了！！ 加上（2）访问的链表是全局的链表（如果是局部的不会错乱）所以就会因为重入引发错乱！！造成了节点丢失，内存泄漏

问题1： 如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的

——>(1)调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。

(2)调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。

问题2： 什么情况下一个函数会被多次进入？？

——>（1）以前学cpp的时候都是单执行流，如果是多执行流的话就有可能一个函数被多个执行流进入（多进程）

（2）如上图一样，虽然只有一个进程，但是main函数和sighanle函数其实并没有调用和被调用的关系，他们是并列的关系，属于不同的执行流，前者是必然执行的，而后者是否执行取决于是否收到信号，如果收到了就会暂时停止main函数，等sighanle函数执行完了才会回来执行main ——>所以重入发生在当main恰好在调用一个函数还没返回的时候，突然停下来去捕获信号，而该信号恰好也调用了这个函数。

问题3：为什么目前大部分的函数都是不可重入函数？？

——>因为我们大部分使用的函数都可能会涉及到一些容器， 比如扩容，就会相互影响！！

4.2 解决过度优化的volatile

我们来看看下面的代码

      这个代码按道理是个死循环不会退出，但如果flag是全局变量，我们就可以在中途通过捕捉信号来把他的值修改一下，那么就会退出了！！

 但是这种情况是有可能会被做优化的：因为main和handler是两个执行流，所以当cpu发现main函数内部不对flag做修改而只是单纯读取并做逻辑运算的时候，综合以上两个条件他就会直接把flag变量优化到CPU内寄存器中方便后续的操作（通过减少数据的拷贝来提高效率），这样的话如果你再去修改flag，那你修改的就是内存里面的flag而不是进程里面的flag！！

Linux的优化方案设计： 

 我们会发现优化方案为O1的时候，此时flag就被优化了！！

 因为优化导致我们的内存不可见了！！

解决方案就是用：

volatile关键字： 保持内存的可见性，告知编译器，被该关键字修饰的变量，不允许被优化，对该变量 的任何操作，都必须在真实的内存中进行操作！！

与他相反的关键字：

register建议型关键字：当前修饰的变量能放在寄存器中就放在寄存器中！！

4.3 基于信号的异步等待方案

         子进程在退出的时候，他并不会悄悄退出，而是在退出的时候会主动向父进程发送SIGCHLD（17）信号

 验证：

既然子进程退出的时候会收到信号，那我不如等收到信号再回收，这样不就避免傻傻等待了吗？ 

 所以我们可以把等待子进程的函数写到信号捕捉的函数里！！

 问题1：可是假如有10个进程同时退出呢？？你在处理1个进程的时候信号可是会被阻塞的，那就会导致8个进程的信号丢失了！！这要怎么办？？

——>所以我们可以尝试在收到1个信号的时候，就开始一直尝试回收。

 问题2：可是如果我们当前10个进程，只是退出一半，而另一半还得继续运行呢？？那么父进程在收到信号时发现进程没有全部退出，他就会卡在信号捕捉函数里阻塞起来了，该怎么办？？

——>解决方法就是采用非阻塞轮询！！

       因此，将回收子进程的过程放在信号捕捉函数里，并采用非阻塞轮询，可以大大提高等待的效率！

 

问题3： 那么以前我们并不知道有这种方案的时候，子进程向父进程发送信号，那父进程的默认动作究竟是什么？？

——> SIGCHLD信号的默认动作是忽略，所以就是相当于什么都没做！

问题4：子进程会变成僵尸进程因为父进程想关心父进程的退出状态，所以他才会在那等待父进程回收，可是如果我压根就不想关心子进程的退出状态呢？？我可不可以让OS直接帮我回收呢？？

——>事实上,由于UNIX 的历史原因,要想不产生僵尸进程还有另外一种办法:父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作 置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的,但这是一个特例。此方法对于Linux可用,但不保证 在其它UNIX系统上都可 用。请编写程序验证这样做不会产生僵尸进程。父进程就不需要wait了！

问题5： 以前的默认动作就是忽略，那为什么我们把他捕获后再设成忽略就没有僵尸了？？这到底是怎么区分的？？

——>其实看起来都是忽略，但根本不一样！！其实原本是SIG_DFL，只不过他的方法恰好就是忽略而已，而我们捕获后把他改成SIG_IGN就可以区分开了！！ 这样就是一种特殊的方式告诉OS你直接把子进程给回收吧，我不打算关心子进程的状态！！