信號中斷與異步信號中斷安全編程

時間 2019-11-19

原文原文鏈接

一、什麼是中斷？

1.一、什麼是中斷

外圍設備的速度遠低於CPU的速度，因此爲提升CPU計算效率，現代計算機變內核主動爲硬件主動，只在硬件須要的時候才發送信號，通知內核來處理數據。這樣外圍設備與內核的協做方式即爲中斷機制。而設備發送的信號即爲中斷，其本質爲一種特殊的電信號。html

硬中斷處理流程：

一、各外圍設備與中斷管理器各輸入引腳相連；linux

二、中斷管理器與CPU之間只存在一條中斷管線；編程

三、設備發送一箇中斷到中斷管理器；數組

四、中斷管理器發送對應電信號給CPU。安全

五、CPU中斷當前工做，開始處理中斷，並通知操做系統。網絡

六、操做系統調用中斷處理程序。併發

中斷的特色：

一、不一樣的設備對應不一樣的中斷，並被用數字標識；異步

二、對應的設備須要對應的中斷處理程序；函數

三、中斷值即中斷請求線（IRQ），被關聯到不一樣的數值量，如IRQ 0，中斷亦可動態分配。性能

四、設備中斷信號可能在任意時刻到來，不與CPU時鐘同步，即異步硬件中斷。

糕富帥CPU來到女兒國，女兒國的妹子們（中斷集合）精心打扮，總在認爲打扮完美的時刻向糕富帥拋媚眼露大腿扮性感，引發糕富帥的注意。糕富帥玩弄妹子的手段高超，經驗豐富，與最靚的妹紙牽手，喜歡爲不一樣的妹子編號並制定不一樣的攻略策略，老是上半場激烈，下半場纏綿，中場偷腥不斷，並在膩味以後迴歸原始的浪蕩生活。妹紙們老是很傻很天真，屢敗屢戰，不停地打扮本身，完美本身，期待着與糕富帥的從新開始。

1.二、什麼是異常

若是程序出現編碼錯誤、CPU自己故障和內存缺頁等反常狀況時，CPU將異常反饋給內核，調用異常處理程序進行處理。異常的產生必須與cpu時鐘同步，又叫同步中斷。

異常分爲：

一、故障，執行處理函數後，恢復現場繼續執行；

二、陷阱，用於調試，陷阱命令執行完畢後，內核將控制權返回給用戶程序；

三、異常停止，用於報告嚴重錯誤，如硬件故障和系統表數值異常等，其異常處理函數將當即停止程序的執行；

四、編程異常，用於執行系統調用或向調試程序通報特定事件，即軟中斷，被當作陷阱處理。

1.三、中斷處理程序

內核在響應一箇中斷時，將調用對應的特定函數，這個函數就是中斷處理程序。這個函數是按照特定類型聲明的C函數，運行與中斷上下文中。中斷隨時可能到來，爲保證儘快恢復被中斷代碼的執行，中斷處理程序必須保證快速執行。但中斷處理程序可能要完成大量非瞬時工做（好比將網絡數據拷貝到內存，並將預處理的數據轉交給特定的協議棧），因此中斷處理任務被兩部分，上半部--中斷處理程序實時響應中斷並執行，下半部--完成可被退出處理的工做，在合適的時機到來後，下半部將開中斷執行。

中斷程序是硬件驅動程序的重要組成部分。硬件的驅動程序在初始化加載時，必須爲其中斷線註冊對應的中斷處理程序。同一中斷線可能被對個設備共享，此時必須使用設備結構來區分。共享中斷線的各設備，註冊中斷程序時必須使用IRQF_SHARED標誌位。中斷程序能夠註銷，若某中斷線上全部診斷處理程序均已註銷，則此條中斷線被禁用。

1.四、中斷上下文

內核在執行中斷處理程序時，即處於中斷上下文中。中斷上下文有嚴格的時間限制。中斷上下文時執行的代碼，必須迅速並簡潔，不適用循環處理繁雜任務，且不能睡眠或調用可能睡眠的函數（不然沒法從新調度），以迅速恢復中斷現場，防止打斷其餘代碼（甚至其餘中斷線的中斷程序）的執行。因此中斷程序的上半部必須力求簡約。

2.6版本以前的中斷程序共享被中斷進程的內核棧（無進程調度時，將使用空任務進程idle），2.6版本的linux爲每一個CPU均分配了一箇中斷棧。內核將中斷處理程序的入口點預約義在內存中，中斷到來，內核跳到中斷入口點，保存該中斷號和當前寄存器的值，接着執行do_IRQ()禁止該中斷線並屏蔽該CPU對任意中斷的響應（防止中斷的嵌套和重入問題），接着開始調用對應的中斷處理C代碼。

1.六、中斷下半部與軟中斷

中斷下半部設計方案：

一、BH靜態全局鏈表：即bottom half，在全局範圍內同步，共32個bottom halves組成，用一個32位數標識那個BH可執行。簡單方便、死板、性能不夠；

二、任務隊列：即task queue，一組待處理函數組成的鏈表隊列，驅動程序將下半部註冊到隊列中，內核依照隊列循序處理。性能有提高，但不能徹底替換BH，沒法處理高性能子系統；

三、軟中斷、tasklet和工做隊列：2.3開發版本開始。軟中斷是靜態定義的32個下半部接口（結構體數組），可在全部處理器上同時運行；tasklet基於軟中斷實現，可動態建立和加載，不一樣類型的tasklet可同時在不一樣cpu上運行，但同類型tasklet只能同時運行一個，因爲其靈活性，tasklet是最多見的下半部實現；工做隊列將下半部任務排隊，在進程的上下文中執行，替代任務隊列（2.5）。2.5版本後，BH被完全廢棄。

四、內核定時器：將工做延期到某個肯定時間段去執行，適用於有時間要求的下半部。

二、信號是對中斷的模擬

信號是進程處理異步事件的方法，信號是進程與內核、進程與進程通訊的一種方式，是進程接受外部控制的一種方式，好比：接受內核執行除零計算返回的SIGSEGV信號，父進程接受子進程的SIGCHLD，接受鍵盤驅動產生的SIGINIT信號等。進程對信號的默認處理方式：終止進程、終止進程+生成core文件、忽略和暫停進程等。軟件編程人員能夠在程序中設置信號處理函數，以響應外部信號。

信號即軟件中斷，它與軟中斷不一樣，信號是軟件程序的中斷，軟中斷是內核的中斷，但它們有許多的共同點，都將中斷程序的運行並執行指定的函數，尤爲是在使用中必須注意的同步和互斥問題，必須謹慎的使用臨界區代碼。爲防止臨界區代碼對共享資源的併發訪問，必須保證臨界區代碼的原子性。信號中斷實際的中斷點是在某個系統調用後，而不是用戶函數。

當進程收到信號時，內核信號預處理函數do_singal()會將信號的處理句柄（對應信號處理函數）插入到用戶進程的程序堆棧中，在當前系統調用結束並返回後，信號處理函數纔會被pop並執行，最終返回執行用戶程序。

對於慢速系統調用，慢速系統調用將進程運行狀態置爲TASK_INTERRUPTIBLE，可能在其爲徹底執行完畢前，信號的到來將致使其提早返回（內核進程調度函數將進程運行狀態更新爲TASK_RUNNING，喚醒進程，直接將進程入可調度隊列並執行）。4.2BSD爲部分慢速系統調用設計了自動重啓動功能，詳細內容可參照APUE。

各種信號設置函數，支持的系統請參看APUE2.p304

一、signal

二、sigset

三、sigvec

四、sigaction（推薦）

舊signal提供的是不可靠的信號機制，sigaction提供的是可靠的信號機制，但當前大多數系統的signal均以sigaction實現，因此signal也是可靠的信號處理了。但依然建議只使用sigaction，除非系統不支持。

這些安裝信號處理程序的函數所有支持：保持已安裝的信號處理程序，並提供阻塞信號的功能。

2.一、不可靠信號和可靠信號

早期UNIX版本的信號，可能會丟失，對信號的控制能力也很是弱，不能阻塞信號。好比：早期接收信號並處理時，該信號的處理復位爲默認，而從捕獲信號到執行信號處理函數之間會有一個時間窗，此時若是信號再次到來時，進程可能被終止。有時咱們只想暫時阻塞信號，可是不要忽略信號，在進程準備好是再去獲取並處理，可是早期的UNIX並不具有該功能。此時，信號處理是不可靠的。

在後期的4.2BSD和SVR3均提供了改進的信號處理機制，POSIX.1最終選擇了BSD的可靠信號方案做爲標準化的基礎。

注：不要有這樣的誤解：由sigqueue()發送、sigaction安裝的信號就是可靠的。事實上，可靠信號(實時信號)是指後來添加的新信號（信號值位於SIGRTMIN及SIGRTMAX之間）；不可靠信號（非實時信號）是信號值小於SIGRTMIN的信號。信號的可靠與不可靠只與信號值有關，與信號的發送及安裝函數無關。signal()及sigaction()都不能把SIGRTMIN之前的信號變成可靠信號（都不支持排隊，仍有可能丟失，仍然是不可靠信號），並且對SIGRTMIN之後的信號都支持排隊。這兩個函數的最大區別在於，通過sigaction安裝的信號都能傳遞信息給信號處理函數（對全部信號這一點都成立），而通過signal安裝的信號卻不能向信號處理函數傳遞信息。對於信號發送函數來講也是同樣的。

2.二、簡單的信號處理程序

信號機制具備如下三方面的功能：
（1 ）發送信號。發送信號的主要函數有：kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()；
（2 ）預置對信號的處理方式。接收信號的程序用 signal( ) 來實現對處理方式的預置；
（3 ）收受信號的進程按事先的規定完成對相應事件的處理。

以下是一簡單的信號處理程序，sigaction設置信號SIGINT的處理方式，用戶經過按Crtl+C生成SIGINT信號給當前進程，程序收到信號後foo函數打印信息。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>

void foo(int signum)
{
    printf("Hello signal(%d), i catch you!\n", signum);
}

int main()
{
    struct sigaction act, oact;

    act.sa_handler = foo;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;

    if(sigaction(SIGINT, &act, &oact) < 0)
    {
        return (-1);
    }
    while(1)
    {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}