ECF机制：信号 (Signal)

💭 写在前面：ECF (异常控制流) 机制是存在于系统的所有层级中的，所以这一块的知识我们需要系统地去学习。前几章我们探讨过了异常 (Exceptions)，由硬件触发，在内核代码中处理。讲解了进程的上下文切换 (Process Context Switch)，"异常 + 内核代码"。本章我们将探讨信号 (signal)，将 "异常 + 内核代码 + 用户代码" 相结合！

📜本文目录：

0x00 什么是内核（Shell）

0x01 简单的 Shell 示例

0x02 不用担心！ECF 救你来了！（ECF Comes to the Rescue!）

0x03 信号（Signals）

0x04 接收信号（Receiving a Signal）

0x05 未决信号和阻塞信号（Pending and Blocking Signals）

0x06 未决/阻断的比特（Pending/Blocked Bits）

0x07 发出信号：进程组（Sending Signals: Process Groups）

0x08 用 /bin/kill 程序发送信号

0x09 从键盘发出信号

0x0A 以程序化的方式发送信号

0x00 什么是内核（Shell）

A shell is an application program that runs other programs on behalf of the user

Shell 是一种应用程序，它代表用户运行其他程序。

sh          // 原始的 Unix shell (Stephen Bourne，AT＆T贝尔实验室，1977）
csh/tcsh    // BSD Unix C shell
bash        // "Bourne-Again" Shell（默认的 Linux shell）

对于 Shell，其中最熟悉的莫过于 bash 了：

Linux 进程层次结构（Linux Process Hierarchy）：

我们可以使用 pstree 指令去查看进程层次结构：

$ pstree

0x01 简单的 Shell 示例

"Shell execution is a repeated sequence of read & evaluate"

Shell 的本质就是一个循环：从命令行读取一行，执行所请求的操作：

内置命令（例如，退出）
从文件加载和执行程序

int main(int argc, char** argv)
{char cmdline[MAXLINE]; /* command line */while (1) {/* read */printf("> ");fgets(cmdline, MAXLINE, stdin);if (feof(stdin))exit(0);/* evaluate */eval(cmdline);}...

在我的《看表情包学Linux》专栏中有一插叙章节，就是实现一个简单的 Shell 的，感兴趣可以跟着自己实现一个简单的 Shell！

🔗 链接：【Linux】简易Shell的实现

简单的 Shell eval 函数：

void eval(char* cmdline)
{char* argv[MAXARGS]; /* Argument list execve() */char buf[MAXLINE]; /* Holds modified command line */int bg; /* Should the job run in bg or fg? */pid_t pid; /* Process id */strcpy(buf, cmdline);bg = parseline(buf, argv);if (argv[0] == NULL)return; /* Ignore empty lines */if (!builtin_command(argv)) {if ((pid = fork()) == 0) { /* Child runs user job */execve(argv[0], argv, environ);// If we get here, execve failed.printf("%s: %s\n", argv[0], strerror(errno));exit(127);}/* Parent waits for foreground job to terminate */if (!bg) {int status;if (waitpid(pid, &status, 0) < 0)unix_error("waitfg: waitpid error");}elseprintf("%d %s\n", pid, cmdline);}return;
}

该示例中存在的问题：

Shell 必须设计为持续运行，不应该积累不需要的资源（内存、子进程等）。我们的示例 Shell 正确地等待并回收前台作业，但是后台作业呢？当它们终止时将会变成僵尸进程，除非 Shell 终止，否则将永远不会被回收，这将造成内存泄漏，可能会使内核耗尽内存！

0x02 不用担心！ECF 救你来了！（ECF Comes to the Rescue!）

💡 解决方案：异常控制流 (ECF)

当后台进程完成时，内核会中断常规处理以向我们发出 Warning。

我们的 Shell 程序可以收到这些事件的通知，在 Unix 中，这种 Warning 机制称为信号 (signal)。

ECF（Event-driven Control Flow）是一种 Shell 设计模式，它通过事件驱动方式管理子进程和资源。使用 ECF 设计的 Shell 可以在不积累不必要资源的情况下持续运行，并正确地回收前台和后台作业。ECF 设计模式的关键思想是让 Shell 在执行命令之前将其设置为后台模式或前台模式。当命令运行完成后，Shell 会接收到一个事件，通知它该如何处理该作业。如果作业在前台模式下运行，Shell 会等待作业完成，然后回收资源。如果作业在后台模式下运行，Shell 会立即回收所有相关资源，不会创建僵尸进程，也不会占用不必要的内存资源。

ECF 是一种优秀的 Shell 设计模式，已经被广泛应用于各种操作系统中，例如 Linux 和 macOS 等。使用 ECF 设计的 Shell 具有稳定性高、性能优良等优点，是一种非常实用的 Shell 设计模式。

0x03 信号（Signals）

"A signal is a small message that notifies a process that an event of some type has occurred in the system"

信号是一条小消息，通知进程系统中发生了某种类型的事件。

类似于异常和中断。
从内核（有时是由另一个进程的请求）发送到进程，
信号类型由小整数 ID（1-30）标识，
信号中仅包含 ID 和已到达的事实信息。

发送信号 (Sending a Signal)：

内核通过更新目标进程的上下文状态向 目标进程 (destination proces) 传递 (send) 信号。

内核发送信号有以下原因之一：

内核检测到系统事件，例如除以零（SIGFPE）或子进程的终止（SIGCHLD）。
另一个进程调用 kill 系统调用来显式请求内核向目标进程发送信号。

0x04 接收信号（Receiving a Signal）

当一个目标进程被内核强迫以某种方式对信号做出反应时，它就会收到一个信号。

一些可能的反应方式：

Ignore：忽略该信号（什么都不做）
Terminate：终止进程（可选择核心转储 core dump）
Catch：通过执行被称为信号处理程序的用户级函数来捕捉信号，这类似于响应异步中断时调用硬件异常处理程序：

0x05 未决信号和阻塞信号（Pending and Blocking Signals）

如果一个信号已发送但尚未收到，那么该信号是未决 (pending) 的。

每种类型最多只能有一个未接信号 (pending signal)，

注意！信号不在队列中：

如果一个进程已经有一个类型为 $k$ 的待定信号，那么
如果一个进程已经有一个 $k$ 类型的待处理信号，那么随后发送给该进程的 $k$ 类型的信号将被丢弃

一个进程可以阻塞 (Blocking) 某些信号的接收。

被阻塞的信号可以被发送，但不会被接收，直到该信号被解除阻塞为止。

有些信号不能被阻塞，比如 SIGKILL、SIGSTOP。

或只能在其他进程发送时被阻塞，比如 SIGSEGV、SIGILL等。

当然，这并不意味着你可以向任何进程发送 SIGKILL、SIGSTOP...（权限检查是另一回事）

0x06 未决/阻断的比特（Pending/Blocked Bits）

内核在每个进程的上下文中维护未决和阻断的位向量。

未决信号集 (pending)：代表未决信号的集合

内核在发送 $k$ 类型的信号时设置挂起中的位 $k$
内核在收到 $k$ 类型的信号时清除挂起中的位 $k$

阻塞信号集 (blocking)：代表阻塞信号的集合

可以通过使用 sigprocmask 函数（内部调用系统）来设置和清除
这个位向量也被称为 信号掩码 (signal mask)

0x07 发出信号：进程组（Sending Signals: Process Groups）

每个进程组有一个领头进程，进程组是一个或多个进程的集合，通常它们与一组作业相关联，可以接受来自同一终端的各种信号。

0x08 用 /bin/kill 程序发送信号

/bin /kill 程序发送任意信号给一个进程或进程组。

举个例子：

kill -9 24818
向进程24818发送SIGKILL
相当于以下内容：
kill -SIGKILL 24818kill -9 -24817
向进程组中的每个进程发送SIGKILL
进程组中的每个进程24817

0x09 从键盘发出信号

输入 ctrl-c（ctrl-z）会导致内核向前台进程组中的每个工作发送 SIGINT（SIGTSTP）

SIGINT：默认动作是终止每个进程
SIGTSTP：默认动作是停止（暂停）每个进程。

Example of ctrl-c and ctrl-z：

bluefish> ./fork17
Child: pid=28108 pgrp=28107
Parent: pid=28107 pgrp=28107
<types ctrl-z>
[1]+ Stopped ./fork17
bluefish> ps u
PID TTY ... STAT TIME COMMAND
…
28107 pts/8 ... T 0:01 ./fork17
28108 pts/8 ... T 0:01 ./fork17
28109 pts/8 ... R+ 0:00 ps w
bluefish> fg
./fork17
<types ctrl-c>
bluefish> ps u
PID TTY ... STAT TIME COMMAND
...
28110 pts/8 ... R+ 0:00 ps w

STAT（过程状态）图例：

第一个字母： $T$ ：终止态、 $R$ ：运行态
第二个字母：+：前台进程组、更多细节见 "man ps"。

0x0A 以程序化的方式发送信号

输入 man 2 kill 查看 kill() 函数的手册：

void fork12()
{pid_t pid[N];int i, child_status;for (i = 0; i < N; i++)if ((pid[i] = fork()) == 0)while (1); /* Child: Infinite Loop */for (i = 0; i < N; i++) {printf("Killing process %d\n", pid[i]);kill(pid[i], SIGINT);}for (i = 0; i < N; i++) {pid_t wpid = wait(&child_status);if (WIFEXITED(child_status))printf("Child %d terminated with exit status %d\n",wpid, WEXITSTATUS(child_status));elseprintf("Child %d terminated abnormally\n", wpid);}
}

🚩 运行结果如下：（当 N = 5）

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2022.4.4
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！

📜 参考资料

C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.