Linux内核信号处理

在Linux内核中，信号处理是一个复杂的过程，涉及用户态和内核态的交互。以下是信号处理的详细流程，结合代码和注释进行说明。

1. 信号处理的整体流程

信号处理的流程可以分为以下几个步骤：

1. 信号产生 ：内核或用户程序发送信号。

2. 信号传递 ：内核将信号添加到目标进程的信号队列中。

3. 信号检查 ：在进程从内核态返回到用户态时，内核检查是否有未处理的信号。

4. 信号处理 ：

   • 如果进程注册了信号处理函数，内核会调用该函数。
   • 如果没有注册处理函数，内核会执行默认行为（如终止进程、忽略信号等）。

5. 信号处理完成 ：进程返回到被信号打断的代码位置继续执行。

2. 信号处理的代码实现

以下是Linux内核中信号处理的核心代码片段，结合注释进行说明。

（1） 信号传递

当内核需要向进程发送信号时，会调用 send_signal() 函数。

// kernel/signal.c
static int send_signal(int sig, struct kernel_siginfo *info, struct task_struct *t, int group)
{
    struct sigpending *pending;
    struct sigqueue *q;

    // 获取目标进程的信号队列
    pending = group ? &t->signal->shared_pending : &t->pending;

    // 分配一个信号队列项
    q = __sigqueue_alloc(sig, t, GFP_ATOMIC, override_rlimit);

    // 将信号添加到队列中
    sigaddset(&pending->signal, sig);
    list_add_tail(&q->list, &pending->list);

    // 唤醒进程（如果进程处于可中断睡眠）
    signal_wake_up(t, sig == SIGKILL);
    return 0;
}

• send_signal() ：将信号添加到目标进程的信号队列中。
• signal_wake_up() ：如果进程处于可中断睡眠状态，唤醒进程。

（2） 信号检查

在进程从内核态返回到用户态时，内核会调用 do_signal() 函数检查是否有未处理的信号。

// arch/x86/kernel/signal.c
void do_signal(struct pt_regs *regs)
{
    struct ksignal ksig;

    // 检查是否有未处理的信号
    if (get_signal(&ksig)) {
        // 如果有信号，处理信号
        handle_signal(&ksig, regs);
        return;
    }

    // 如果没有信号，恢复执行
    restore_saved_sigmask();
}

• get_signal() ：从信号队列中获取一个未处理的信号。
• handle_signal() ：调用用户注册的信号处理函数。

（3） 信号处理

如果进程注册了信号处理函数，内核会调用 handle_signal() 函数。

// arch/x86/kernel/signal.c
static void handle_signal(struct ksignal *ksig, struct pt_regs *regs)
{
    // 设置用户态的信号处理函数
    regs->ip = (unsigned long) ksig->ka.sa.sa_handler;
    regs->sp = (unsigned long) ksig->ka.sa.sa_restorer;

    // 切换到用户态执行信号处理函数
    return;
}

• regs->ip ：设置指令指针（IP）为信号处理函数的地址。
• regs->sp ：设置栈指针（SP）为信号处理函数的栈。

（4） 信号处理完成

信号处理函数执行完毕后，进程会返回到被信号打断的代码位置继续执行。

// arch/x86/kernel/signal.c
void sys_rt_sigreturn(void)
{
    // 恢复被信号打断的上下文
    restore_sigcontext(&current->thread.regs);

    // 返回到用户态继续执行
    return;
}

• restore_sigcontext() ：恢复被信号打断的寄存器上下文。
• sys_rt_sigreturn() ：返回到用户态继续执行。

3. 信号处理的场景和影响

（1） 场景1：进程正在运行

• 场景 ：进程正在执行用户态代码，突然收到信号（如 SIGINT ）。

• 流程 ：

  1. 内核将信号添加到进程的信号队列中。
  2. 进程从内核态返回到用户态时，检查到未处理的信号。
  3. 内核调用用户注册的信号处理函数。
  4. 信号处理函数执行完毕后，进程返回到被信号打断的代码位置继续执行。

• 影响 ：进程的执行被信号打断，但会继续执行。

（2） 场景2：进程处于可中断睡眠

• 场景 ：进程正在等待I/O操作（如 read() ），突然收到信号（如 SIGTERM ）。

• 流程 ：

  1. 内核将信号添加到进程的信号队列中。
  2. 内核唤醒进程，并将其状态设置为 TASK_RUNNING 。
  3. 进程从内核态返回到用户态时，检查到未处理的信号。
  4. 内核调用用户注册的信号处理函数。
  5. 信号处理函数执行完毕后，进程返回到被信号打断的代码位置继续执行。

• 影响 ：进程被信号唤醒，I/O操作可能被中断。

（3） 场景3：进程处于不可中断睡眠

• 场景 ：进程正在等待硬件I/O操作（如磁盘读写），突然收到信号（如 SIGKILL ）。

• 流程 ：

  1. 内核将信号添加到进程的信号队列中。
  2. 由于进程处于不可中断睡眠状态，信号不会唤醒进程。
  3. 进程继续等待硬件I/O操作完成。
  4. 硬件I/O操作完成后，进程被唤醒并处理信号。

• 影响 ：信号不会立即生效，进程必须等待硬件操作完成。

4. 总结

信号处理是Linux内核中一个重要的机制，涉及用户态和内核态的交互。通过 send_signal() 、 do_signal() 、 handle_signal() 等函数，内核实现了信号的传递、检查和处理。信号处理的具体行为和影响取决于进程的当前状态和信号类型。