linux異步信號handle淺析

在初學linux編程的時候，一直以爲異步信號handle是個很神奇的東西，用戶程序可使用singal之類的系統調用爲某某信號註冊一個信號處理函數（handle函數）。
程序的二進制代碼在內存中都有着肯定的執行流程，爲何收到異步信號之後，程序會被「中斷」，而後跳轉到這個handle函數裏面去運行呢？內核怎麼有能力讓程序作這樣的跳轉呢，總不可能臨時修改程序的可執行代碼吧？

後來學習了一些內核知識，才知道原來進程收到信號之後，並非當即就被「中斷」的，而是先在進程的控制結構（task_struct）中記錄下收到了某某信號，而後等到進程即將從內核態返回用戶態的時候，流程才被「中斷」，handle函數才被調用。
用戶進程何時會從內核態返回用戶態呢？通常主要是三種狀況：系統調用（用戶進程主動進入內核）、中斷（用戶進程被動進入內核）、被調度執行（用戶進程從等待執行變爲正在執行）。
進程從收到信號到它從內核態返回用戶態的過程，是須要必定時間的。可是這個時間通常會很短，至少時鐘中斷會以較大的頻率（好比1毫秒一次）將用戶進程帶入內核（固然，只針對正在執行的進程）。

在進程即將從內核態返回用戶態時，若是有信號須要處理，對應的handle函數將被調用（固然，可能沒有註冊handle，這時內核對信號進行默認的處理）。注意，如今進程還在內核態，內核是怎麼調用用戶態的handle函數的呢？
直接調用能夠嗎？固然不行。內核代碼運行在高CPU特權級別下，若是直接調用handle函數，則handle函數也將在相同的CPU特權下被執行。那麼用戶將能夠在handle函數裏面隨心所欲。
因此，調用handle必須先返回用戶態。可是返回用戶態後，程序流程又不受內核控制了，難不成內核還真的把用戶進程的可執行代碼臨時改掉？

內核實際的作法仍是比較巧妙。用戶進程進入內核之後，都會在其對應的內核棧上留下返回地址，以便流程返回。內核調用handle函數的辦法就是臨時改掉棧上的返回地址，而後按原有的返回用戶態的流程去返回。結果這一返回，就到了handle函數去了。（固然，須要修改的並不止是返回地址，而是一整個調用棧。）
雖然如今臨時把返回地址改了，可是用戶進程最終仍是要返回到原先那個返回地址去的。那麼，原先的返回地址及其調用棧應該保存在哪裏呢？進程的內核棧空間有限，而且還須要應付handle函數中可能發生的系統調用，因此內核把這些信息放在內核棧上是不現實的，只能壓到了用戶棧上去。

當handle函數執行完畢，執行流程要返回到內核去。一樣，因爲CPU特權級別不一樣，從handle函數返回內核時不能單純地利用RET指令去返回的。須要執行一次系統調用。

在handle執行完後，爲何要回到內核，再從內核返回到原始返回地址呢？若是直接返回到原始的返回地址那天然是很便捷。而且要這麼作也不難，原始返回地址及其調用棧已經被壓到了用戶棧上，內核只須要在handle函數的調用棧上稍作手腳就好了。
一、返回到原始返回地址並非回到那個地址就好了，須要把整個現場都恢復（主要是寄存器什麼的）。固然，內核也能夠在用戶棧上面壓一些代碼，來完成這些事情；
二、如今可能不止一個信號要處理，最好讓用戶進程返回內核，繼續處理其餘信號；

爲了返回內核，首先，內核在返回到handle函數以前，先將某個返回地址壓到用戶棧上，以便從handle返回時可以返回到指定的地址上。這個指定的地址其實也在進程的用戶棧上，內核又在這個地址上放了幾條指令（在棧上放置可執行代碼），讓進程去調用一個名叫sigreturn的系統調用。

返回到handle函數前的用戶棧大體以下：
原有數據 -> 調用sigreturn的指令（設其地址爲a） -> 原始返回地址及其調用棧 -> 返回地址（值爲a） -> handle的棧變量

內核在handle函數的調用棧上放置sigreturn指令，這是在linux 2.4時的作法。每次調用用戶的handle函數都須要向用戶棧拷貝這麼幾條指令，這並不太好。
linux 2.6有一個叫vsyscall page的頁面，上面包含了內核爲用戶程序準備的一些指令，其中就包括調用sigreturn指令。這個vsyscall頁被映射到每一個進程的虛擬地址空間靠近末尾的部分，被全部用戶進程共享，對於用戶進程是隻讀的。這樣，handle函數的調用棧上就不須要再塞入sigreturn指令了，直接將handle函數的返回地址設爲vsyscall頁中對應的代碼便可。

爲了讓handle執行完之後自動調用sigreturn返回內核，內核作了不少事情。那麼可不能夠約定好，讓用戶本身去調用sigreturn呢？
固然，這是能夠的。只是爲了讓信號處理機制成爲一套完整的機制，內核並無這麼作。不然用戶在handle函數裏面忘記調用sigreturn的話，可能莫名其妙地進程就崩潰了。而編譯器也很難找出這樣的錯誤。

進程調用sigreturn系統調用從新進入內核後，壓在用戶棧上的原始返回地址及其調用棧被獲取。最終內核又會修改棧，讓進程返回用戶空間時返回到這個原始返回地址上。