学习笔记9

信号和中断
Unix/Linux 中的信号处理
信号处理步骤与异常
Linux 中的 IPC
实践过程

信号和中断

“中断”是从I/O设备或协处理器发送到CPU的外部请求，它将CPU从正常执行转移到中断处理。“信号”是发送给进程的请求，将进程从正常执行转移到中断处理。

中断的概念和机制

1.硬件中断：

概念：硬件中断是由计算机系统的硬件设备生成的事件所触发的中断。这些硬件设备可以包括键盘、鼠标、磁盘驱动器、网卡、定时器等。硬件中断通常用于告知CPU发生了某种事件，需要处理或响应。
机制：当硬件设备生成一个中断信号时，它会向中断控制器发送请求（通常使用IRQ线），中断控制器会将该中断请求传递给CPU。CPU会根据中断请求的优先级，暂停当前执行的程序，保存程序状态，跳转到与该中断相关的中断处理程序。中断处理程序负责处理中断事件，然后返回到原始程序的执行点。

2.进程中断：

概念：进程中断是由操作系统内部的事件或条件触发的中断。这些事件包括操作系统调度、进程间通信、异常（如除零错误、无效操作码等）等。进程中断通常用于管理操作系统的任务和进程之间的切换。
机制：当发生进程中断时，操作系统会根据中断的类型，挂起当前运行的进程，保存其状态，然后选择一个新的进程来执行。这实现了多任务处理，允许操作系统在多个进程之间共享CPU时间。

3.人员中断：

概念：人员中断是由计算机用户或外部人员触发的中断。这些中断通常来自外部输入设备，如键盘、鼠标、触摸屏，或者来自网络通信等。
机制：人员中断是用户直接触发的，例如，当用户按下键盘上的键时，键盘会生成一个中断信号，操作系统会响应并传递给相应的应用程序处理。用户的输入将被用于控制程序的执行。

Unix/Linux 中的信号处理

Unix/Linux中的信号处理是一种重要的机制，用于进程间通信和处理异步事件。

1.信号类型：

Unix/Linux系统中有许多不同类型的信号，每个信号都有一个唯一的编号，通常是正整数。一些常见的信号类型包括：

SIGINT：终止进程，通常由用户在终端上按下Ctrl+C触发。
SIGTERM：终止进程，通常是通过kill命令触发。
SIGHUP：终止或重新启动进程，通常在终端断开连接时触发。
SIGKILL：强制终止进程，不能被捕获或忽略。
SIGSTOP：暂停进程的执行。
SIGCONT：继续进程的执行，从暂停状态恢复。
someting else

2.信号的来源：

信号可以来自多个来源，包括：

用户：通过终端或命令行工具，用户可以发送信号来控制进程。
操作系统：操作系统可以向进程发送信号，以通知进程发生了某些事件，如子进程终止、硬件错误等。
其他进程：一个进程可以向另一个进程发送信号，以实现进程间通信。

3.进程proc结构体的信号：

Unix/Linux中，每个进程都有一个proc结构体，用于保存有关进程状态的信息，其中包括信号的处理状态。proc结构体中包括：

sighand：一个指向信号处理函数的指针，用于定义进程接收信号时的操作。
sigpending：一个用于存储未决信号的集合，这些信号在进程处理之前排队等待。
signal：一个用于存储已安装的信号处理函数的数组。
blocked：一个用于指定被阻止的信号的集合，这些信号不会被处理，而是排队等待。

4.信号处理函数：

每个信号都可以关联一个信号处理函数，用于定义接收到该信号时应采取的操作。信号处理函数可以是用户自定义的函数，也可以是操作系统提供的默认处理函数。用户可以使用signal函数或sigaction函数来为进程安装信号处理函数。

5.安装信号捕捉函数：

在Unix/Linux中，可以使用以下两个主要函数来安装信号处理函数：

signal(int signum, void (*handler)(int))：这是一种较早的信号处理函数安装方法，用于指定信号编号和信号处理函数的指针。不推荐使用，因为它在不同系统上的行为不一致。
sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact)：这是一种较新且更强大的信号处理函数安装方法。它允许更精细的控制信号处理，包括指定信号处理函数、标志位和信号掩码等。

C语言示例：在C语言中，使用 signal() 函数可以安装信号处理函数。

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

void signal_handler(int signum) {
    printf("Received signal %d\n", signum);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler); // 安装SIGINT的信号处理函数
    while (1) {}
    return 0;
}

信号处理步骤

1.进程处于内核模式： 当信号被发送到进程时，进程必须从用户模式切换到内核模式，以便内核能够处理信号。在内核模式下，操作系统可以执行特权操作，例如更改进程的状态和执行信号处理函数。

2.重置用户安装的信号捕捉函数： 如果进程已经为特定信号安装了自定义的信号处理函数，首先，操作系统将保存用户安装的信号处理函数的地址。然后，操作系统将重置信号处理函数为默认行为，这可能包括终止进程或忽略信号，具体取决于信号的默认行为。

3.信号和唤醒： 接下来，操作系统会执行与接收到的信号相关的操作，这包括：

a. 终止进程：如果信号的默认行为是终止进程，那么进程将被终止，其状态将变为"终止"，并且进程将被从进程表中移除。
b. 执行信号处理函数：如果信号处理函数已被安装，操作系统会执行该函数。信号处理函数可以是用户自定义的，用于处理信号时采取特定操作，比如记录信息、清理资源、或采取其他适当的措施。
c. 唤醒进程：如果信号没有终止进程，操作系统会将进程从信号等待状态唤醒，以便它能够继续执行。这通常涉及到将进程状态从"等待信号"状态更改为"就绪"状态，以确保进程被调度并执行。

Linux 中的 IPC

1.管道和FIFO（命名管道）：

管道：一种单向通信机制，可用于具有父子关系的进程间通信。使用 pipe() 系统调用创建，数据单向流动，通常在父子进程之间使用。
FIFO：也称为命名管道，与管道类似，但允许无关进程间的通信。使用 mkfifo() 创建，进程通过打开FIFO文件进行通信。

2. 信号：

信号：用于通知进程发生了某种事件的软件通知机制。可以由操作系统、其他进程或用户发送。使用 kill() 系统调用发送信号，signal() 或 sigaction() 用于注册信号处理函数。

3.System V IPC：

消息队列：允许进程通过消息进行通信，支持多种数据类型。使用 msgget()、msgsnd() 和 msgrcv() 等系统调用创建和操作消息队列。
共享内存：允许多个进程访问同一块物理内存。使用 shmget()、shmat() 等系统调用来创建和附加共享内存段。
信号量：用于进程同步和互斥，控制进程对共享资源的访问。使用 semget()、semop() 等系统调用来操作信号量。

4.POSIX消息队列：

POSIX消息队列：类似System V消息队列，但与POSIX标准兼容。使用 mq_open()、mq_send() 和 mq_receive() 等函数进行操作。
5.线程同步机制：
互斥锁：用于防止多个线程同时访问共享资源。使用 pthread_mutex_init()、pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 等函数操作互斥锁。
条件变量：用于线程间的条件等待和通知。使用 pthread_cond_init()、* pthread_cond_wait() 和 pthread_cond_signal() 等函数。