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！

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");
    }
    else
      printf("%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 的待定信号，那么
• 如果一个进程已经有一个 类型的待处理信号，那么随后发送给该进程的 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 类型的信号时设置挂起中的位
• 内核在收到 类型的信号时清除挂起中的位

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 24818
kill -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： ：终止态、 ：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));
    else
      printf("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！