【Linux】对信号产生的内核级理解

一、键盘信号的产生

键盘信号的产生涉及到一个关键概念，即硬件中断。接下来，我将简要介绍键盘信号的产生过程以及信号如何被上层软件读取，仅限于我个人的理解。

1.1、硬件中断 硬件中断是计算机系统中的一种机制，它允许硬件设备在需要时向中央处理单元（CPU）发送信号，以请求其关注并处理特定事件或条件。当硬件设备需要CPU的关注时，会生成一个中断信号，这个信号会被传送到CPU的中断控制器。中断控制器负责管理这些信号，并决定哪个中断应优先处理。

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、键盘信号的产生和读取过程 CPU上有多个针脚，每个针脚都有对应的编号。这些针脚可以与键盘连接。当我们在键盘上输入命令或数据时，CPU上相应的针脚会触发高电平信号，此时CPU会产生硬件中断，保存当前运行进程的数据，然后去响应这个中断。CPU的寄存器能够记录是哪个针脚触发了高电平（可以理解为数组的下标）。然后，CPU可以根据寄存器中的数字在中断向量表中找到相应的数组下标，用来读取键盘数据的方法。操作系统会读取键盘输入的数据，并判断这些数据是命令还是普通数据。如果是普通数据，操作系统会将其直接写入键盘文件的缓冲区，让对应的进程读取；如果是命令，操作系统会将其解释为信号并发送给相应的进程。

当信号被发送给进程后，进程的PCB（进程控制块）中会用一个32位的整数来保存接收到的信号，也就是说，信号是以位图的形式被保存的。前面我们提到，操作系统中异步发送的信号共有31个：

因此，用一个32位的整数就可以在进程的PCB中保存这些信号。向进程发送信号的本质是写入信号，将保存信号的位图中对应的比特位从零置为一，这样一个信号就发送给了进程。由于发送信号需要修改PCB中的内核数据结构内容，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、异常产生信号2.1、除0错误 在介绍异常产生信号之前，首先需要了解CPU中的一些常见寄存器，因为异常产生信号通常与CPU中的寄存器有关。

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

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WeLM不是一个直接的对话机器人，而是一个补全用户输入信息的生成模型。

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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）中的溢出标志位会被设置为1。CPU检测到标志寄存器中的溢出标志位被设置为1后，会通知操作系统，操作系统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的内容，将保存在eax寄存器中的空指针的地址（虚拟地址）与CR3寄存器中的基地址到MMU中进行映射，发现页表中根本没有空指针的虚拟地址到物理地址之间的转换关系（或者是其他情况，有转换关系但页表项的权限为只读但却要进行修改），然后将转换失败的虚拟地址存放到CR2寄存器中。CPU接着通知操作系统CR2中存在发生页错误的虚拟地址，操作系统直接向对应进程发送SIGSEGV（11号信号），终止对应进程。

三、总结 异常产生信号一定是硬件和软件共同作用的结果。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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