Re：Linux系统篇（四十四）信号篇·二：Linux 信号的产生原理：硬件异常、软件条件与内核处理机制

概要&序論

Hello，大家好我是此方，今天继续介绍信号是如何产生的问题。上一篇我们介绍了信号的两种产生机制：键盘产生和系统调用/命令产生。本文将讲解剩下两类信号产生机制——“硬件异常”与“软件条件”。同时带大家初步接触“时钟中断”等内容。

一、 硬件异常产生信号

1.1什么是硬件异常

在 Linux 操作系统中，程序的崩溃或异常终止（如除0错误、野指针访问）会触发硬件异常，CPU 首先捕捉到硬件异常，并立刻通过中断机制将其移交给操作系统内核。

信号由操作系统发送。

1.2硬件异常举例

1.2.1浮点数错误

8号信号：SIGFPE (Floating-point exception)浮点数异常。

1.2.2段错误

11号信号：SIGSEGV (Segmentation violation / Segmentation fault)段错误。

1.3 CPU是怎么知道硬件错误

操作系统作为软硬件资源的管理者，之所以能知道进程的犯错，得益于 CPU 内部各种寄存器和硬件单元的实时监控：

1.3.1算术溢出与除0错误

当程序执行a /= 0时，CPU 的算术逻辑单元（ALU）在计算时会触发异常，并自动将状态寄存器（如 x86 的EFLAGS寄存器）中的特定标志位（例如溢出或错误标志）置位。

1.3.2 内存访问段错误

当程序尝试访问int *p = nullptr; *p = 100;，负责地址翻译的集成硬件MMU（内存管理单元）会拿着该虚拟地址和CR3 寄存器中保存的当前进程页表物理地址去进行转换。MMU 在将虚拟地址转换为真正的物理地址时，主要根据页表项中的“权限和状态”来判断访问是否合法。

1.4 MMU 查表时的权限与状态判定

1.4.1 根本没有映射（空指针引发的未分配错误）

页表项中有一个最关键的位叫Present（存在位，通常是 Bit 0）：

• Present = 1：代表该虚拟地址已经映射了真实的物理内存。
• Present = 0：代表这块虚拟地址在物理内存中根本不存在。

当 MMU 发现对应行的Present位为 0 时，硬件逻辑电路就会自动触发中断信号（硬件报错）。

1.4.2 有映射但越界或越权（非法访问限制区域）

即使地址存在映射，页表项中还包含R/W（读写权限位）和U/S（用户/内核权限位）：

• 如果代码企图去修改（写）一个只读的常量字符串（R/W位为 0），MMU 就会报错。
• 如果普通应用程序（用户态）企图去访问内核才能看的地址（U/S位为 0），MMU 同样会报错。

1.5 操作系统的接管与进程上下文读取

当 MMU 或 CPU 触发硬件报错后，CPU 会瞬间暂停当前正在执行的应用程序，强行切换到操作系统的缺页异常处理程序。此时，操作系统必须立刻、无条件地读取当前进程的上下文（即内核中的current->task_struct以及 CPU 寄存器），以此弄清楚两件事：是谁在哪个地方犯了错？

在 Linux 内核源码中，current 是一个极其常用的宏或者指针。它永远指向当前正在 CPU 上执行的那个进程的 task_struct。

操作系统会读取以下一组特殊的寄存器：

• CR2 寄存器：这个寄存器极其重要！MMU 报错时，会自动把导致报错的那个虚拟地址塞进 CR2 里。操作系统读取它，才能知道程序刚才是在访问哪块内存时翻车的。
• 程序计数器（CS:RIP / EIP）：操作系统要看看底是哪一行代码（哪条指令）触发了这次内存访问。
• 通用寄存器和错误码（Error Code）：搞清楚程序当时是在执行“读”还是“写”，以及当时是在用户态还是内核态。

1.6 合法与非法的甄别，产生信号

拿到上下文并读取 CR2 里的虚拟地址后，操作系统会去对比当前进程的VMA（虚拟内存区域，即 vm_area_struct 链表）来甄别这次报错是否合法：

• 合法错误（真正的缺页）：比如使用mmap分配了虚拟内存，但在第一次读写时物理内存还没落实（Present = 0）。操作系统会执行补齐页表的操作，分配物理内存并建立映射，随后恢复上下文，重新执行那条代码，程序得以“复活”。
• 非法错误（真正的越界/野指针）：如果操作系统发现该虚拟地址根本不在进程合法的虚拟内存区域内，或者违反了读写权限。操作系统就会将其判定为非法，并向目标进程发送SIGSEGV（段错误）信号；若是除0错误，则发送SIGFPE（浮点异常）信号。最终强行杀死进程，造成程序崩溃。

二、软件条件产生信号

2.1管道产生信号

软件条件产生信号的方式有很多种，我们曾经学过管道产生信号的方式。Re：Linux系统篇（三十七）通信篇·二：深入理解匿名管道：父子进程是如何“看到同一个文件”

操作系统不会做任何浪费资源的事情。当读端关闭的时候，写段任在写入就毫无意义。此时操作系统必须发送信号SIGPIPE终止进程。

2.2闹钟产生信号

2.2.1先见一见闹钟怎么用

这一块本来应该放在时钟中断讲，但是放在这里也可以。

补充一下pause系统调用，让这个进程处于暂停状态。

#include<iostream>#include<unistd.h>#include<signal.h>voidHander(inti){std::cout<<"收到一个信号"<<i<<std::endl;}intmain(){for(inti=0;i<32;i++)signal(i,Hander);alarm(10);std::cout<<"定一个闹钟"<<std::endl;std::cout<<"开始睡觉"<<std::endl;pause();std::cout<<"睡醒"<<std::endl;return0;}

如上。我们让进程设置一个闹钟。时间到了就会发送14号信号。终止进程。

2.2.2闹钟的用法详细介绍

调用alarm(seconds)后，系统开始倒计时。

• 时间到了会怎样？系统会向你的程序发送一个SIGALRM 信号。
• 默认后果：如果你的程序没有提前做好准备，收到这个信号后会直接退出（终止运行）。
• 一次只能设一个闹钟：如果先调用了alarm(10)，紧接着又调用了alarm(3)，前一个闹钟会被直接覆盖。程序只会在 3 秒后收到闹钟信号。
• 如何取消闹钟：调用alarm(0)即可直接关闭倒计时，不会再触发信号。

2.2.3递归闹钟与操作系统的基本运行原理

我们让闹钟执行的自定义捕捉函数调用新的闹钟。让每一个闹钟响起后执行随机的工作

#include<iostream>#include<unistd.h>#include<signal.h>#include<time.h>#include<vector>#include<functional>std::vector<std::function<void(int)>>work;voidfunc_1(intx){std::cout<<"我是一个网络任务，参数为: "<<x<<std::endl;}voidfunc_2(intx){std::cout<<"我是一个磁盘任务，参数为: "<<x<<std::endl;}voidfunc_3(intx){std::cout<<"我是一个日志任务，参数为: "<<x<<std::endl;}voidfunc_4(intx){std::cout<<"我是一个计算任务，参数为: "<<x<<std::endl;}voidfunc_5(intx){std::cout<<"我是一个数据库任务，参数为: "<<x<<std::endl;}voidHander(inti){std::cout<<"###########################"<<std::endl;work[rand()%5](rand()%100);alarm(1);std::cout<<"###########################"<<std::endl;}intmain(){work.push_back(func_1);work.push_back(func_2);work.push_back(func_3);work.push_back(func_4);work.push_back(func_5);srand((unsignedint)time(NULL));for(inti=0;i<32;i++)signal(i,Hander);alarm(1);//std::cout<<"定一个闹钟"<<std::endl;//std::cout<<"开始睡觉"<<std::endl;while(true)pause();//std::cout<<"睡醒"<<std::endl;return0;}

进程可以处于暂停状态，通过外部信号传达实现不同功能的调用。——这就是操作系统，以及操作系统去做进程管理和内存管理等工作的基本原理。

比如拿进程管理为例子，进程被创建好之后PCB就被push_back到一个管理结构中，然后操作系统在运行的时候会去遍历这个管理结构，找到时间片的下一个进程，然后执行他。

操作系统的本质就像是我们这个进程，登录以后就处于一种死循环。操作系统不会去主动执行这些任务。alarm () 间隔时间为0…0几秒，这样的时间间隔，我们的操作系统就会以非常高的频率来执行我们的任务！
操作系统居然不是主动干活的

后面会讲这就是时钟中断

2.2.4时间戳与时间片

时间戳的本质就是一个计数器，外部每一秒刺激操作系统一次，操作系统调用一次就++，实时记录操作系统一共开机了多少时间（操作系统自启动后的时间间隔）

2.2.5操作系统对闹钟的先描述再组织

OS内会不会同时存在很多的闹钟！OS要不要对闹钟进行管理？先描述，在组织！
闹钟结构体的伪代码:

structtimer_list{structlist_headentry;unsignedlongexpires;void(*function)(unsignedlong);unsignedlongdata;structtvec_t_base_s*base;};

我们的很多闹钟会被按照这个时间间隔值（unsigned long expires;（操作系统自启动后的时间间隔））进行建小堆，操作系统对比自己的时间间隔值和闹钟的时间间隔值：1000<1005 不响。1006>1005响。然后调用闹钟的函数，传递信号SIGALRM。

新建一个闹钟就是在堆里面插入一个闹钟结构体。但是实际上在内核中，并没有使用这个堆。

闹钟产生信号的这个过程没有硬件参与，这就是软件条件触发信号的另一种方式。扯的有点远了

信号的产生。我们就讲完了。