鸿蒙内核源码分析(信号生产篇) | 信号安装和发送过程是怎样的? | 百篇博客分析OpenHarmony源码 | v48.03

2022-05-13 14:24:36

百篇博客系列篇.本篇为:

v48.xx 鸿蒙内核源码分析(信号生产篇) | 年过半百，依然活力十足 | 51 .c .h .o

进程管理相关篇为:

信号生产

关于信号篇，本只想写一篇，但发现把它想简单了，内容不多，难度极大.整理了好长时间，理解了为何<<深入理解linux内核>>要单独为它开一章，原因有二

信号相关的结构体多，而且还容易搞混.所以看本篇要注意结构体的名字和作用.
系统调用太多了，涉及面广，信号的来源分硬件和软件.相当于软中断和硬中断，这就会涉及到汇编代码，但信号的处理函数又在用户空间，CPU是禁止内核态执行用户态代码的，所以运行过程需在用户空间和内核空间来回的折腾，频繁的切换上下文.

信号思想来自Unix，它老人家已经五十多岁了，但很有活力，许多方面几乎没发生大的变化.信号可以由内核产生，也可以由用户进程产生，并由内核传送给特定的进程或线程(组)，若这个进程定义了自己的信号处理程序，则调用这个程序去处理信号，否则则执行默认的程序或者忽略.

信号为系统提供了一种进程间异步通讯的方式，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达。事实上，进程也不可能知道信号到底什么时候到达。一般来说，只需用户进程提供信号处理函数，内核会想方设法调用信号处理函数，网上查阅了很多的关于信号的资料.个人想换个视角去看信号.把异步过程理解为生产者(安装和发送信号)和消费者(捕捉和处理信号)两个过程.鉴于此，系列篇将分成两篇说明，本篇为信号生产篇:

信号分类

每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以SIG开头，例如SIGQUIT、SIGCHLD等等。

信号定义在signal.h头文件中，信号名都定义为正整数。

具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号，信号是从1开始编号的，不存在0号信号。不过kill对于信号0有特殊的应用。啥用呢? 可用来查询进程是否还在. 敲下 kill 0 pid 就知道了.

信号分为两大类：可靠信号与不可靠信号，前32种信号为不可靠信号，后32种为可靠信号。

不可靠信号：也称为非实时信号，不支持排队，信号可能会丢失，比如发送多次相同的信号，进程只能收到一次. 信号值取值区间为1~31；
可靠信号：也称为实时信号，支持排队，信号不会丢失，发多少次，就可以收到多少次. 信号值取值区间为32~64

  #define SIGHUP    1	//终端挂起或者控制进程终止

  #define SIGINT    2	//键盘中断（ctrl + c）

  #define SIGQUIT   3	//键盘的退出键被按下

  #define SIGILL    4	//非法指令

  #define SIGTRAP   5	//跟踪陷阱（trace trap），启动进程，跟踪代码的执行

  #define SIGABRT   6	//由abort(3)发出的退出指令

  #define SIGIOT    SIGABRT //abort发出的信号

  #define SIGBUS    7	//总线错误

  #define SIGFPE    8	//浮点异常

  #define SIGKILL   9	//常用的命令 kill 9 123 | 不能被忽略、处理和阻塞

  #define SIGUSR1   10	//用户自定义信号1

  #define SIGSEGV   11	//无效的内存引用， 段违例（segmentation     violation），进程试图去访问其虚地址空间以外的位置

  #define SIGUSR2   12	//用户自定义信号2

  #define SIGPIPE   13	//向某个非读管道中写入数据

  #define SIGALRM   14	//由alarm(2)发出的信号，默认行为为进程终止

  #define SIGTERM   15	//终止信号

  #define SIGSTKFLT 16	//栈溢出

  #define SIGCHLD   17	//子进程结束信号

  #define SIGCONT   18	//进程继续（曾被停止的进程）

  #define SIGSTOP   19	//终止进程  	 | 不能被忽略、处理和阻塞

  #define SIGTSTP   20	//控制终端（tty）上 按下停止键

  #define SIGTTIN   21	//进程停止，后台进程企图从控制终端读

  #define SIGTTOU   22	//进程停止，后台进程企图从控制终端写

  #define SIGURG    23	//I/O有紧急数据到达当前进程

  #define SIGXCPU   24	//进程的CPU时间片到期

  #define SIGXFSZ   25	//文件大小的超出上限

  #define SIGVTALRM 26	//虚拟时钟超时

  #define SIGPROF   27	//profile时钟超时

  #define SIGWINCH  28	//窗口大小改变

  #define SIGIO     29	//I/O相关

  #define SIGPOLL   29	//

  #define SIGPWR    30	//电源故障，关机

  #define SIGSYS    31	//系统调用中参数错，如系统调用号非法

  #define SIGUNUSED SIGSYS//不使用

  #define _NSIG 65

信号来源

信号来源分为硬件类和软件类：

硬件类
- 用户输入：比如在终端上按下组合键ctrl+C，产生SIGINT信号；
- 硬件异常：CPU检测到内存非法访问等异常，通知内核生成相应信号，并发送给发生事件的进程；
软件类
- 通过系统调用，发送signal信号：kill()，raise()，sigqueue()，alarm()，setitimer()，abort()
  - kill 命令就是一个发送信号的工具，用于向进程或进程组发送信号.例如: kill 9 PID (SIGKILL)来杀死PID 进程.
  - sigqueue()：只能向一个进程发送信号，不能向进程组发送信号；主要针对实时信号提出，与sigaction()组合使用，当然也支持非实时信号的发送；
  - alarm()：用于调用进程指定时间后发出SIGALARM信号；
  - setitimer()：设置定时器，计时达到后给进程发送SIGALRM信号，功能比alarm更强大；
  - abort()：向进程发送SIGABORT信号，默认进程会异常退出。
  - raise()：用于向进程自身发送信号；

信号与进程的关系

主要是通过系统调用 sigaction将用户态信号处理函数注册到PCB保存.所有进程的任务都共用这个信号注册函数sigHandler，在信号的消费阶段内核用一种特殊的方式'回调'它.

typedef struct ProcessCB {//PCB中关于信号的信息

    UINTPTR              sigHandler;   /**< signal handler */   //捕捉信号后的处理函数

    sigset_t             sigShare;     /**< signal share bit */	//信号共享位，64个信号各站一位

}LosProcessCB;

typedef unsigned _Int64 sigset_t; //一个64位的变量，每个信号代表一位.

struct sigaction {//信号处理机制结构体

	union {

		void (*sa_handler)(int); //信号处理函数——普通版

		void (*sa_sigaction)(int， siginfo_t *， void *);//信号处理函数——高级版

	} __sa_handler;

	sigset_t sa_mask;//指定信号处理程序执行过程中需要阻塞的信号；

	int sa_flags;	 //标示位

					 //	SA_RESTART：使被信号打断的syscall重新发起。

					 //	SA_NOCLDSTOP：使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到 SIGCHLD 信号。

					 //	SA_NOCLDWAIT：使父进程在它的子进程退出时不会收到SIGCHLD信号，这时子进程如果退出也不会成为僵 尸进程。

					 //	SA_NODEFER：使对信号的屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信号。

					 //	SA_RESETHAND：信号处理之后重新设置为默认的处理方式。

					 //	SA_SIGINFO：使用sa_sigaction成员而不是sa_handler作为信号处理函数。

	void (*sa_restorer)(void);

};

typedef struct sigaction sigaction_t;

解读

每个信号都对应一个位. 信号从1开始编号 [1 ~ 64] 对应 sigShare的[0 ~ 63]位，所以中间会差一个.记住这点，后续代码会提到.

sigHandler信号处理函数的注册过程，由系统调用sigaction(用户空间) -> OsSigAction(内核空间)完成绑定动作.

#include <signal.h>

int sigaction(int signo， const struct sigaction *act， struct sigaction *oact);

int OsSigAction(int sig， const sigaction_t *act， sigaction_t *oact)

{

    UINTPTR addr;

    sigaction_t action;

    if (!GOOD_SIGNO(sig) || sig < 1 || act == NULL) {

        return -EINVAL;

    }

    //将数据从用户空间拷贝到内核空间

    if (LOS_ArchCopyFromUser(&action， act， sizeof(sigaction_t)) != LOS_OK) {

        return -EFAULT;

    }

    if (sig == SIGSYS) {//鸿蒙此处通过错误的系统调用 来安装信号处理函数，有点巧妙.

        addr = OsGetSigHandler();//获取进程信号处理函数

        if (addr == 0) {//进程没有设置信号处理函数时

            OsSetSigHandler((unsigned long)(UINTPTR)action.sa_handler);//设置进程信号处理函数——普通版

            return LOS_OK;

        }

        return -EINVAL;

    }

    return LOS_OK;

}

sigaction(...)第一个参数是要安装的信号; 第二个参数与sigaction函数同名的结构体，这里会让人很懵，函数名和结构体一直，没明白为毛要这么搞? 结构体内定义了信号处理方法;第三个为输出参数，将信号的当前的sigaction结构带回.但鸿蒙显然没有认真对待第三个参数.把musl实现给阉割了.
对结构体的sigaction鸿蒙目前只支持信号处理函数——普通版，sa_handler表示自定义信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。
sa_mask指定信号处理程序执行过程中需要阻塞的信号。
sa_flags字段包含一些选项，具体看注释
sa_sigaction是实时信号的处理函数，union二选一.鸿蒙暂时不支持这种方式.

信号与任务的关系

typedef struct {//TCB中关于信号的信息

    sig_cb          sig;	//信号控制块，用于异步通信，类似于 linux singal模块

} LosTaskCB;

typedef struct {//信号控制块(描述符)

    sigset_t sigFlag;		//不屏蔽的信号标签集

    sigset_t sigPendFlag;	//信号阻塞标签集，记录因哪些信号被阻塞

    sigset_t sigprocmask; /* Signals that are blocked            */	//进程屏蔽了哪些信号

    sq_queue_t sigactionq;	//信号捕捉队列

    LOS_DL_LIST waitList;	//等待链表，上面挂的是等待信号到来的任务， 可查找 OsTaskWait(&sigcb->waitList， timeout， TRUE)	理解

    sigset_t sigwaitmask; /* Waiting for pending signals         */	//任务在等待阻塞信号

    siginfo_t sigunbinfo; /* Signal info when task unblocked     */	//任务解锁时的信号信息

    sig_switch_context context;	//信号切换上下文， 用于保存切换现场， 比如发生系统调用时的返回，涉及同一个任务的两个栈进行切换

} sig_cb;

解读

系列篇已多次说过，进程只是管理资源的容器，真正让cpu干活的是任务task，所以发给进程的信号最终还是需要分发给具体任务来处理.所以能想到的是关于任务部分会更复杂.
context信号处理很复杂的原因在于信号的发起在用户空间，发送需要系统调用，而处理信号的函数又是用户空间提供的，所以需要反复的切换任务上下文.而且还有硬中断的问题，比如 ctrl + c ，需要从硬中断中回调用户空间的信号处理函数，处理完了再回到内核空间，最后回到用户空间.没听懂吧，我自己都说晕了，所以需要专门的一篇来说清楚信号的处理问题.本篇不展开说.
sig_cb结构体是任务处理信号的结构体，要响应，屏蔽哪些信号等等都由它完成，这个结构体虽不复杂，但是很绕，很难搞清楚它们之间的区别.笔者是经过一番痛苦的阅读理解后才明白各自的含义.并想通过用打比方的例子试图让大家明白.
以下用追女孩打比方理解.任务相当于某个男，没错说的就是屏幕前的你，除了苦逼的码农谁会有耐心能坚持看到这里.64个信号对应64个女孩.允许一男同时追多个女孩，女孩也可同时被多个男追.女孩也可以主动追男的.理解如下:
waitList等待信号的任务链表，上面挂的是因等待信号而被阻塞的任务.众男在排队追各自心爱的女孩们，处于无所事事的挂起的状态，等待女孩们的出现.
sigwaitmask任务在等待的信号集合，只有这些信号能唤醒任务.相当于列出喜欢的各位女孩，只要出现一位就能让你满血复活.
sigprocmask指任务对哪些信号不感冒.来了也不处理.相当于列出不喜欢的各位女孩，请她们别来骚扰你，嘚瑟.
sigPendFlag信号到达但并未唤醒任务.相当于喜欢你的女孩来追你，但她不在你喜欢的列表内，结果是不搭理人家继续等喜欢的出现.
sigFlag记录不屏蔽的信号集合，相当于你并不反感的女孩们.记录来过的那些女孩(除掉你不喜欢的).

信号发送过程

用户进程调用kill()的过程如下:

kill(pid_t pid， int sig) - 系统调用

|                    用户空间

---------------------------------------------------------------------------------------

|                    内核空间

SysKill(...)

|---> OsKillLock(...)

    |---> OsKill(..， OS_USER_KILL_PERMISSION)

        |---> OsDispatch()  //鉴权，向进程发送信号

            |---> OsSigProcessSend()    //选择任务发送信号

                |---> OsSigProcessForeachChild(..，ForEachTaskCB handler，..)

                    |---> SigProcessKillSigHandler() //处理 SIGKILL

                        |---> OsTaskWake() //唤醒所有等待任务

                        |---> OsSigEmptySet() //清空信号等待集

                    |---> SigProcessSignalHandler()

                        |---> OsTcbDispatch() //向目标任务发送信号

                            |---> OsTaskWake() //唤醒任务

                            |---> OsSigEmptySet() //清空信号等待集

流程

通过系统调用 kill 陷入内核空间

因为是用户态进程，使用OS_USER_KILL_PERMISSION权限发送信号

#define OS_KERNEL_KILL_PERMISSION 0U	//内核态 kill 权限

#define OS_USER_KILL_PERMISSION   3U	//用户态 kill 权限

鉴权之后进程轮询任务组，向目标任务发送信号.这里分三种情况:
- SIGKILL信号，将所有等待任务唤醒，拉入就绪队列等待被调度执行，并情况信号等待集
- 非SIGKILL信号时，将通过sigwaitmask和sigprocmask过滤，找到一个任务向它发送信号OsTcbDispatch.

代码细节

    int OsKill(pid_t pid， int sig， int permission)

    {

        siginfo_t info;

        int ret;

        /* Make sure that the para is valid */

        if (!GOOD_SIGNO(sig) || pid < 0) {//有效信号 [0，64]

            return -EINVAL;

        }

        if (OsProcessIDUserCheckInvalid(pid)) {//检查参数进程

            return -ESRCH;

        }

        /* Create the siginfo structure */ //创建信号结构体

        info.si_signo = sig;	//信号编号

        info.si_code = SI_USER;	//来自用户进程信号

        info.si_value.sival_ptr = NULL;

        /* Send the signal */

        ret = OsDispatch(pid， &info， permission);//发送信号

        return ret;

    }

    //信号分发

    int OsDispatch(pid_t pid， siginfo_t *info， int permission)

    {

        LosProcessCB *spcb = OS_PCB_FROM_PID(pid);//找到这个进程

        if (OsProcessIsUnused(spcb)) {//进程是否还在使用，不一定是当前进程但必须是个有效进程

            return -ESRCH;

        }

    #ifdef LOSCFG_SECURITY_CAPABILITY	//启用能力安全模式

        LosProcessCB *current = OsCurrProcessGet();//获取当前进程

        /* If the process you want to kill had been inactive， but still exist. should return LOS_OK */

        if (OsProcessIsInactive(spcb)) {//如果要终止的进程处于非活动状态，但仍然存在，应该返回OK

            return LOS_OK;

        }

        /* Kernel process always has kill permission and user process should check permission *///内核进程总是有kill权限，用户进程需要检查权限

        if (OsProcessIsUserMode(current) && !(current->processStatus & OS_PROCESS_FLAG_EXIT)) {//用户进程检查能力范围

            if ((current != spcb) && (!IsCapPermit(CAP_KILL)) && (current->user->userID != spcb->user->userID)) {

                return -EPERM;

            }

        }

    #endif

        if ((permission == OS_USER_KILL_PERMISSION) && (OsSignalPermissionToCheck(spcb) < 0)) {

            return -EPERM;

        }

        return OsSigProcessSend(spcb， info);//给参数进程发送信号

    }

    //给参数进程发送参数信号

    int OsSigProcessSend(LosProcessCB *spcb， siginfo_t *sigInfo)

    {

        int ret;

        struct ProcessSignalInfo info = {

            .sigInfo = sigInfo， //信号内容

            .defaultTcb = NULL， //以下四个值将在OsSigProcessForeachChild中根据条件完善

            .unblockedTcb = NULL，

            .awakenedTcb = NULL，

            .receivedTcb = NULL

        };

        //总之是要从进程中找个至少一个任务来接受这个信号，优先级

        //awakenedTcb > receivedTcb > unblockedTcb > defaultTcb

        /* visit all taskcb and dispatch signal */ //访问所有任务和分发信号

        if ((info.sigInfo != NULL) && (info.sigInfo->si_signo == SIGKILL)) {//需要干掉进程时 SIGKILL = 9， #linux kill 9 14

            (void)OsSigProcessForeachChild(spcb， SigProcessKillSigHandler， &info);//进程要被干掉了，通知所有task做善后处理

            OsSigAddSet(&spcb->sigShare， info.sigInfo->si_signo);

            OsWaitSignalToWakeProcess(spcb);//等待信号唤醒进程

            return 0;

        } else {

            ret = OsSigProcessForeachChild(spcb， SigProcessSignalHandler， &info);//进程通知所有task处理信号

        }

        if (ret < 0) {

            return ret;

        }

        SigProcessLoadTcb(&info， sigInfo);

        return 0;

    }

    //让进程的每一个task执行参数函数

    int OsSigProcessForeachChild(LosProcessCB *spcb， ForEachTaskCB handler， void *arg)

    {

        int ret;

        /* Visit the main thread last (if present) */

        LosTaskCB *taskCB = NULL;//遍历进程的 threadList 链表，里面存放的都是task节点

        LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(taskCB， &(spcb->threadSiblingList)， LosTaskCB， threadList) {//遍历进程的任务列表

            ret = handler(taskCB， arg);//回调参数函数

            OS_RETURN_IF(ret != 0， ret);//这个宏的意思就是只有ret = 0时，啥也不处理.其余就返回 ret

        }

        return LOS_OK;

    }

如果是 SIGKILL信号，让spcb的所有任务执行SigProcessKillSigHandler函数，查看旗下的所有任务是否又在等待这个信号的，如果有就将任务唤醒，放在就绪队列等待被调度执行.

//进程收到 SIGKILL 信号后，通知任务tcb处理.

static int SigProcessKillSigHandler(LosTaskCB *tcb， void *arg)

{

    struct ProcessSignalInfo *info = (struct ProcessSignalInfo *)arg;//转参

    if ((tcb != NULL) && (info != NULL) && (info->sigInfo != NULL)) {//进程有信号

        sig_cb *sigcb = &tcb->sig;

        if (!LOS_ListEmpty(&sigcb->waitList) && OsSigIsMember(&sigcb->sigwaitmask， info->sigInfo->si_signo)) {//如果任务在等待这个信号

            OsTaskWake(tcb);//唤醒这个任务，加入进程的就绪队列，并不申请调度

            OsSigEmptySet(&sigcb->sigwaitmask);//清空信号等待位，不等任何信号了.因为这是SIGKILL信号

        }

    }

    return 0;

}

非SIGKILL信号，让spcb的所有任务执行SigProcessSignalHandler函数

static int SigProcessSignalHandler(LosTaskCB *tcb， void *arg)

{

    struct ProcessSignalInfo *info = (struct ProcessSignalInfo *)arg;//先把参数解出来

    int ret;

    int isMember;

    if (tcb == NULL) {

        return 0;

    }

    /* If the default tcb is not setted， then set this one as default. */

    if (!info->defaultTcb) {//如果没有默认发送方的任务，即默认参数任务.

        info->defaultTcb = tcb;

    }

    isMember = OsSigIsMember(&tcb->sig.sigwaitmask， info->sigInfo->si_signo);//任务是否在等待这个信号

    if (isMember && (!info->awakenedTcb)) {//是在等待，并尚未向该任务时发送信号时

        /* This means the task is waiting for this signal. Stop looking for it and use this tcb.

        * The requirement is: if more than one task in this task group is waiting for the signal，

        * then only one indeterminate task in the group will receive the signal.

        */

        ret = OsTcbDispatch(tcb， info->sigInfo);//发送信号，注意这是给其他任务发送信号，tcb不是当前任务

        OS_RETURN_IF(ret < 0， ret);//这种写法很有意思

        /* set this tcb as awakenedTcb */

        info->awakenedTcb = tcb;

        OS_RETURN_IF(info->receivedTcb != NULL， SIG_STOP_VISIT); /* Stop search */

    }

    /* Is this signal unblocked on this thread? */

    isMember = OsSigIsMember(&tcb->sig.sigprocmask， info->sigInfo->si_signo);//任务是否屏蔽了这个信号

    if ((!isMember) && (!info->receivedTcb) && (tcb != info->awakenedTcb)) {//没有屏蔽，有唤醒任务没有接收任务.

        /* if unblockedTcb of this signal is not setted， then set it. */

        if (!info->unblockedTcb) {

            info->unblockedTcb = tcb;

        }

        ret = OsTcbDispatch(tcb， info->sigInfo);//向任务发送信号

        OS_RETURN_IF(ret < 0， ret);

        /* set this tcb as receivedTcb */

        info->receivedTcb = tcb;//设置这个任务为接收任务

        OS_RETURN_IF(info->awakenedTcb != NULL， SIG_STOP_VISIT); /* Stop search */

    }

    return 0; /* Keep searching */

}

解读

函数的意思是，当进程中有多个任务在等待这个信号时，发送信号给第一个等待的任务awakenedTcb.
如果没有任务在等待信号，那就从不屏蔽这个信号的任务集中随机找一个receivedTcb接受信号.
只要不屏蔽 unblockedTcb就有值，随机的.
如果上面的都不满足，信号发送给defaultTcb.
寻找发送任务的优先级是 awakenedTcb > receivedTcb > unblockedTcb > defaultTcb

信号相关函数

信号集操作函数

sigemptyset(sigset_t *set)：信号集全部清0；
sigfillset(sigset_t *set)：信号集全部置1，则信号集包含linux支持的64种信号；
sigaddset(sigset_t *set， int signum)：向信号集中加入signum信号；
sigdelset(sigset_t *set， int signum)：向信号集中删除signum信号；
sigismember(const sigset_t *set， int signum)：判定信号signum是否存在信号集中。

信号阻塞函数

sigprocmask(int how， const sigset_t *set， sigset_t *oldset))；不同how参数，实现不同功能
- SIG_BLOCK：将set指向信号集中的信号，添加到进程阻塞信号集；
- SIG_UNBLOCK：将set指向信号集中的信号，从进程阻塞信号集删除；
- SIG_SETMASK：将set指向信号集中的信号，设置成进程阻塞信号集；
sigpending(sigset_t *set))：获取已发送到进程，却被阻塞的所有信号；
sigsuspend(const sigset_t *mask))：用mask代替进程的原有掩码，并暂停进程执行，直到收到信号再恢复原有掩码并继续执行进程。

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