【Linux】对信号产生的内核级理解

一、键盘产生信号

        键盘产生信号这里就要涉及一个重要的概念了，叫硬件中断。我这里会粗粒度地说一下键盘产生信号，以及信号被上层软件读到的过程，只是说一下我自己的理解。

1.1、硬件中断

        硬件中断是计算机中的一种机制，它允许硬件设备在需要时向中央处理器（CPU）发送信号，以请求其关注并处理某些事件或条件。当硬件设备需要CPU的注意时，它会生成一个中断信号，该信号随后被送到CPU的中断控制器。中断控制器负责管理这些信号，并确定哪个中断需要优先处理。

        一旦CPU接收到中断信号，它会暂停当前正在执行的程序（保存当前的状态，如程序计数器、寄存器值等），然后跳转到特定的中断处理程序或中断服务例程来响应这个中断。中断处理程序会执行必要的操作来处理该中断，这可能包括读取硬件的状态、更新数据、发送响应等。处理完中断后，CPU会恢复之前保存的状态，并继续执行原来的程序。

1.2、键盘产生信号并被读取的过程

        在CPU上是有各个针脚的，每个针脚有对应的编号。针脚在主板上是可以和键盘进行连接的。当我们在键盘中输入命令或数据时，CPU上对应的针脚会触发高电平，CPU此时就要发生硬件中断，将CPU中正在运行的进程的数据做保存，然后去响应这个中断。CPU有寄存器能记录是几号（我觉得可以理解成数组下标）针脚触发了高电平。然后CPU就可以根据寄存器中的数字在中断向量表中找到对应数组下标中的读取键盘数据的方法。操作系统就去读取键盘上输入的数据。然后操作系统会判定键盘文件中用户输入的数据是命令还是普通的数据，如果是普通数据操作系统就直接将将数据写到键盘文件的缓冲区中，让对应的进程读到，如果是命令，操作系统就会解释成信号发送给对应的进程。

        信号发送给进程后进程PCB中其实是用一个32位的整数来保存收到的信号的，也就是说，信号是以位图的形式被保存起来的。前面我们也说过，操作系统中异步发送的信号一共有31个：

        所以用一个32位的整数就可以保存在进程的PCB中。向进程发送信号的本质是写入信号，将保存信号的位图对应的比特位由零置一，一个信号就算被发送给进程了。因为发送信号要修改PCB内核数据结构的内容，所以无论产生信号的方式有多少种，最终都是由操作系统将信号写入进程PCB中的。

二、出异常产生信号

2.1、除0

        在介绍出异常产生信号之前，首先要先介绍一下CPU中的部分常见寄存器，因为出异常产生信号往往都是跟CPU中的寄存器有关的。

通用寄存器

EAX, EBX, ECX, EDX: 32位通用寄存器，用于各种算术运算、数据操作以及地址计算。

变址寄存器和指针寄存器

ESI, EDI: 32位变址寄存器，常用于数组访问和字符串操作。ESP, EBP: 32位堆栈指针和基指针寄存器，用于管理堆栈和访问堆栈上的数据。

指令指针寄存器

EIP: 32位指令指针寄存器，指向CPU下一条要执行的指令的地址。

标志寄存器

EFlags: 32位标志寄存器，存储关于上一条指令执行结果的状态信息，如进位、溢出、符号等。

        当我们的程序出现除0错误时，CPU中的标志寄存器（EFlags）中的溢出标志位被设置为1，CPU识别到标志寄存器中的溢出标志位被设置为1，就会转而通知操作系统，操作系统就会向正在执行的进程发送SIGFPE（8号信号）直接终止进程。 

2.2、野指针

CPU中还有两个寄存器：

CR2寄存器：功能：CR2存放发生页错误时的虚拟地址。当CPU尝试访问一个未映射或不可访问的虚拟地址时，会触发页错误，此时CR2会保存导致错误的虚拟地址。CR3寄存器：功能：CR3用于存放最高级页目录地址（物理地址）。在分页机制中，页目录是存储页面表物理地址的数据结构，而CR3则指向这个页目录的基地址。

        假设我们要修改空指针里的内容，将保存在eax寄存器中的空指针的地址（虚拟地址）和CR3寄存器中的基地址到MMU中进行映射，发现页表中根本就没有空指针的虚拟地址到物理地址之间的转换关系（或者是其它情况，有转换关系但是页表项的权限为只读权限但你却要做修改），然后将转换失败的虚拟地址存放到CR2寄存器中。CPU转而通知操作系统CR2中存在发生页错误的虚拟地址，操作系统就直接向对应进程发送SIGSEGV（11号信号），终止对应进程。

三、总结

        出现异常并发送信号一定是硬件和软件配合的结果。无论产生信号的方式有多少种，最终都是由操作系统将信号写入进程PCB中的。

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