信号处理函数执行时刻

当我们对一个进程发送信号后，会将这个信号暂时存放到这个进程所对应的task_struct的pending队列中，此时，进程并不知道有新的信号过来了，这也就是异步的意思。那么进程什么时候才能得知并处理这个信号呢？有两个时机，一个是进程从内核态返回到用户态时，一个是进程从睡眠状态被唤醒。让信号看起来是一个异步中断的关键就是，正常的用户进程是会频繁的在用户态和内核态之间切换的，所以信号能很快的得到执行。

下图为信号相关的一些结构：

当进程从内核空间返回用户空间时，会调用syscall_exit_to_user_mode函数，最终经历一系列调用，会走到exit_to_user_mode_loop函数中

如何实现信号处理函数在用户态执行

用户自定义信号处理函数实际上是在用户空间执行的，目的是为了防止用户利用内核空间的ring 0特权等级做一些意想不到的事，处理过程如下两图所示：

整个过程如图中所见，进程由于系统调用或中断进入内核空间，在内核空间完成工作后返回用户空间的前夕，检查信号队列，如果检查有信号并且有自定义的信号处理函数，返回到用户空间执行信号处理函数，处理完后再返回内核空间，最后再回到用户空间之前代码执行到的地方继续运行

可以看到，这一套流程经历了4次用户态与内核态的切换，比较复杂，那么内核是如何做到的呢？为什么信号处理函数执行完后还要返回内核空间呢？

在Linux中，在用户态和内核态运行的进程使用的是不同的栈，分别为用户栈和内核栈，当一个进程陷入内核态时，需要将用户栈的信息保存到内核栈中，x86，会将ss, sp, flags, cs, ip等值依次压入栈中，保存为pt_regs结构，然后设置CPU堆栈寄存器的地址为内核栈顶，这样，后续使用的栈便变成了内核栈，当系统调用结束，需要从内核态切换到用户态时，再将之前压入栈中的寄存器值弹出，将pt_regs中保存的值恢复到相应的寄存器中，这里改变了sp寄存器的值，即完成了换栈，cs:ip这两个寄存器分别指向用户态代码段以及用户态指令指针，后续CPU便会执行之前用户态的代码了

但是在系统调用完后，回到的将是syscall后的下一条指令，那么如何才能让程序去执行信号处理函数呢？信号处理函数执行完后，又如何回到之前所执行到的代码呢？我们很容易就能想到，先将pt_regs中的值备份一下，然后改变pt_regs中一些寄存器值，比如说将cs:ip修改成信号处理函数对应地址，这样从内核态返回后，就会自动跳转到信号处理函数了，等到信号处理函数执行完，再进入内核态，恢复pt_regs中的值后回到用户态，这样cpu又会从用户调用syscall后的指令开始正常执行了

这里实际上是这么做的，首先，内核默认在用户栈上分配了一个栈帧（如果设置了备用栈的话，则会在备用栈上分配），将pt_regs备份到这个栈帧上，用于后续恢复，然后设置pt_regs，改变其sp, cs, ip等值，使程序从内核态返回时，可以跳转到信号处理函数对应的栈和代码指令地址，当信号处理函数返回时会执行sigreturn系统调用再进入内核态，将之前备份到栈帧中的寄存器值重新恢复到pt_regs中，然后再从内核态回到用户态就可以正常继续执行syscall后面的代码了