linux信号机制 － 用户堆栈和内核堆栈的变化

此文只简单分析发送信号给用户程序后，用户堆栈和内核堆栈的变化。没有分析实时信号，当然整个过程基本一致。很多参考了＜情景分析＞，所以有些代码和现在的内核可能不同，比如RESTORE_ALL，但大体的机制是类似的。

1. 一个信号小例子

hex@Gentoo ~/signal $ cat sigint.c

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <signal.h>

void sig_int(int signo)

{

    printf("hello/n");

}

int main()

{

    if(signal(SIGINT, sig_int) == SIG_ERR){

        printf("can't catch SIGINT/n");

        exit(-1);

    }

    for(;;)

        ;

    return 0;

}

2. 用户堆栈里发生的故事

2.1 编译运行该程序,并设置断点在sig_int函数开头(0x80482e8)，并设置SIGINT信号的处理方式

hex@Gentoo ~/signal $ gdb ./sigint

(gdb) b *0x80482e8

Breakpoint 1 at 0x80482e8: file sigint.c, line 6.

(gdb) handle SIGINT noprint pass

SIGINT is used by the debugger.

Are you sure you want to change it? (y or n) y

Signal        Stop    Print    Pass to program    Description

SIGINT        No    No    Yes        Interrupt

(gdb) r

Starting program: /home/gj/signal/sigint

2.2 向该程序发送信号: kill -INT 此程序的pid号

hex@Gentoo ~/signal $ kill -INT 4639

2.3 该程序收到信号后停在断点处

Breakpoint 1, sig_int (signo=2) at sigint.c:6

6    {

(gdb) i r esp

esp            0xbfffe7ec    0xbfffe7ec

(gdb) x/40a 0xbfffe7ec

0xbfffe7ec:    0xb7fff400    0x2    0x33    0x0

0xbfffe7fc:    0x7b    0x7b    0x8048930 <__libc_csu_init>    0x80488f0 <__libc_csu_fini>

0xbfffe80c:    0xbfffed58    0xbfffed40    0x0    0x0

0xbfffe81c:    0xbfffec18    0x0    0x0    0x0

0xbfffe82c:    0x8048336 <main+58>    0x73    0x213    0xbfffed40

0xbfffe83c:    0x7b    0xbfffead0    0x0    0x0

0xbfffe84c:    0x0    0x0    0x0    0x0

0xbfffe85c:    0x0    0x0    0x0    0x0

0xbfffe86c:    0x0    0x0    0x0    0x0

0xbfffe87c:    0x0    0x0    0x0    0x0

栈上的内容为信号栈sigframe：

根据此结构可以知道：

1). 返回地址0xb7fff400，它指向vdso里的sigreturn

(gdb) x/10i 0xb7fff400

   0xb7fff400 <__kernel_sigreturn>:    pop    %eax

   0xb7fff401 <__kernel_sigreturn+1>:    mov    $0x77,%eax

   0xb7fff406 <__kernel_sigreturn+6>:    int    $0x80

这个地址根据内核的不同而不同，我的内核版本是2.6.38。

2). 信号处理程序完成后，会回到eip = 0x8048336 的地址继续执行。

2.4 执行完sig_int函数后，进入了__kernel_sigreturn，接着回到了代码0x8048336处，一切恢复了正常。

(gdb) x/5i $pc

=> 0x8048336 <main+58>:    jmp    0x8048336 <main+58>

(gdb) i r esp

esp            0xbfffed40    0xbfffed40

在用户层我们能看到的只有上面这么多信息了，可能有一个地方不能理解：在上面过程c中 从0xbfffe7ec起那一块栈上的内容从哪来的？（正常情况下堆栈esp应该一直指向在过程d中显示的esp值0xbfffed40）

现在来看看在上面这些现象之下，内核的堆栈发生了怎样的变化。

3. 内核堆栈里发生的故事

3.1 发信号时

在2.2 里当执行kill -INT 4639后，pid为4639的程序（也就是我们运行的./sigint）会收到一个信号，但是信号实际都是在内核里实现的。每个进程（这里只讲进程的情况，线程类似，线程有一个tid）都有一个pid，与此pid对应有一个结构task_struct ，在task_struct里有一个变量struct sigpending pending，当该进程收到信号时，并不会立即作出反应，只是让内核把这个信号记在了此变量里（它里面是一个链表结构）。当然，此时与内核堆栈还没有多大关系。

3.2 检测信号

  如果只记录了信号，但没有相应反应，那有什么用啊。一个进程在什么 情况下会检测信号的存在呢？在<情景分析>里说到了：“在中断机制中，处理器的硬件在每条指令结束时都要检测是否有中断请求的存在。信号机制是纯软件的，当然不能依靠硬件来检测信号的到来。同时，要在每条指令结束时都来检测显然是不现实的，甚至是不可能的。所以对信号的检测机制是：每当从系统调用，中断处理或异常处理返回到用户空间的前夕；还有就是当进程被从睡眠中唤醒（必定是在系统调用中）的时候，此时若发现有信号在等待就要提前从系统调用返回。总而言之，不管是正常返回还是提前返回，在返回到用户空间的前夕总是要检测信号的存在并作出反应。”

  因此，对收到的信号做出反应的时间是 从内核返回用户空间的前夕，那么有那些情况会让程序进入内核呢？答案是中断，异常和系统调用。简单了解一下它们发生时内核堆栈的变化。

  //-----中断，异常，系统调用: 开始

   1)在用户空间发生中断时，CPU会自动在内核空间保存用户堆栈的SS， 用户堆栈的ESP，EFLAGS, 用户空间的CS, EIP, 中断号- 256

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP | 中断号 －256

   进入内核后，会进行一个SAVE_ALL，这样内核栈上的内容为：

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP | 中断号 －256 | ES | DS | EAX | EBP | EDI | ESI | EDX | ECX | EBX

   好了，一切都处理完时，内核jmp到RESTORE_ALL（它是一个宏，例：在x86_32体系结构下，/usr/src/kernel/arch/286/kernel/entry_32.S文件里包含该宏的定义）

   RESTORE做的工作，从它的代码里就可以看出来了：  

   首先把栈上的ES | DS | EAX | EBP | EDI | ESI | EDX | ECX | EBX pop到对应的寄存器里

   然后将esp ＋4 把 “中断号 －256”pop掉

   此时内核栈上的内容为：

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP

   最后执行iret指令，此时CPU会从内核栈上取出SS, ESP, ELFGAS, CS, EIP，然后接着运行。

   2) 在用户空间发生异常时，CPU自动保存在内核栈的内容为：

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP | 出错代码error_code

   （注：CPU只是在进入异常时才知道是否应该把出错代码压入堆栈（为什么?），而从异常处理通过iret指令返回时已经时过境迁，CPU已经无从知当初发生异常的原因，因此不会自动跳过这一项，而要靠相应的异常处程序对堆栈加以调整，使得在CPU开始执行iret指令时堆栈顶部是返回地址）

   进入内核后，没有进行SAVE_ALL，而是进入相应的异常处理函数（这个函数是包装后的，真正的处理函数在后面）（在此函数里会把真正的处理函数的地址push到栈上），然后jmp到各种异常处理所共用的程序入口error_code，它会像SAVE_ALL那样保存相应的寄存器（没有保存ES），此时内核空间上的内容为：

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP | 出错代码error_code | 相应异常处理函数入口| DS | EAX | EBP | EDI | ESI | EDX | ECX | EBX

   （注：如果没有出错代码，则此值为0）

   最后结束时与中断类似（RESTORE_ALL）。

   3) 发生系统调用时，CPU自动保存在内核栈的内容为:

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP

   为了与中断和异常的栈一致，在进入系统调用入口（ENTRY(system_call)）后会首先push %eax，然后进行SAVE_ALL，此时内核栈上的内容为

   | 用户堆栈的SS | 用户堆栈的ESP | EFLAGS | 用户空间的CS | EIP | EAX | ES | DS | EAX | EBP | EDI | ESI | EDX | ECX | EBX

   最后结束时与中断类似（RESTORE_ALL）。

   //-----中断，异常，系统调用: 结束

   中断，异常，系统调用这部分有一点遗漏的地方：检测信号的时机就是紧挨着RESTORE_ALL之前发生的。

3.3 对检测到的信号做出反应

  如果检测到有要处理的信号时，就要开始做一些准备工作了，此时内核里的内容为（进入内核现场时的内容）

  | 用户堆栈的SS1 | 用户堆栈的ESP1 | EFLAGS1 | 用户空间的CS1 | EIP1 | ? | ES1 | DS1 | EAX1 | EBP1 | EDI1 | ESI1 | EDX1 | ECX1 | EBX1

  （注：？的值有三个选择：中断号 －256／出错代码error_code／出错代码error_code）

  假设将要处理的信号对应的信号处理程序是用户自己设置的，即本文中SIGINT对应的信号处理程序sig_int。

  现在要做的事情是让cpu去执行信号处理程序sig_int，但是执行前需要做好准备工作：

  3.3.1  setup_frame

  在用户空间设置好信号栈(struct sigframe)(假设设置好栈后esp的值为sigframe_esp，在本文中其值为0xbfffe7ec)，即在2.3里看到的栈内容。

  注：struct sigframe里至少包含以下内容：

  用户堆栈的SS1， 用户堆栈的ESP1，EFLAGS1， 用户空间的CS1，EIP1，ES1，DS1，EAX1，EBP1，EDI1，ESI1，EDX1，ECX1，EBX1

  3.3.2 设置即将运行的eip的值为信号处理函数sig_int的地址（为0x80482e8），并设置用户ESP的值为sigframe_esp(为0xbfffe7ec)，这是通过修改内核栈里的EIP和ESP的值实现的，因为在从系统调用里iret时，会从内核栈里取EIP，ESP。

  这时内核栈的内核为:

  | 用户堆栈的SS1 | 0xbfffe7ec | EFLAGS1 | 用户空间的CS1 | 0x80482e8 | ? | ES1 | DS1 | EAX1 | EBP1 | EDI1 | ESI1 | EDX1 | ECX1 | EBX1

  最后，进行RESTORE_ALL，内核栈上的内容为：

  | 用户堆栈的SS1 | 0xbfffe7ec | EFLAGS1 | 用户空间的CS1 | 0x80482e8

  RESTORE_ALL里执行完iret后，寄存器内容为：EIP为0x80482e8(即sig_int),esp为0xbfffe7ec 。 于是用户空间到了步骤2.3

3.4 信号处理程序完成以后

  2.3 -> 2.4，进入了sig_return系统调用，在sig_return里，内核栈的内容为（每个名字后面加一个2以便与前面的1区分）

  | 用户堆栈的SS2 | 用户堆栈的ESP2 | EFLAGS2 | 用户空间的CS2 | EIP2 | ? | ES2 | DS2 | EAX2 | EBP2 | EDI2 | ESI2 | EDX2 | ECX2 | EBX2

  sig_return要做的主要工作就是根据用户栈里sigframe的值修改内核栈里的内容，使内核栈变为:

  | 用户堆栈的SS1 | 用户堆栈的ESP1 | EFLAGS1 | 用户空间的CS1 | EIP1 | ? | ES1 | DS1 | EAX1 | EBP1 | EDI1 | ESI1 | EDX1 | ECX1 | EBX1

  至此内核栈里的内容和进行信号处理前一样了。经过RESTORE_ALL后，用户堆栈里的内容也和以前一样（主要指ESP的值一样）。

  "kill -INT 4639" 只是一段小插曲。程序从原处开始运行。