Linux学习指南：进程信号产生(三) 硬件异常、除零、野指针及core文件

?前言

硬件异常被硬件以某种⽅式被硬件检测到并通知内核,然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执⾏了除以0的指令,CPU的运算单元会产⽣异常,内核将这个异常解释为SIGFPE信号发送给进程。再⽐如当前进程访问了⾮法内存地址,MMU会产⽣异常,内核将这个异常解释为SIGSEGV信号发送给进程。

?模拟除0

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#include #include #include #include #include int main(){    if(fork() == 0)    {        sleep(1);        int a = 10;        a /= 0;        exit(0);    }    int status = 0;    waitpid(-1, &status, 0);    printf("exit sinal: %d, core dump: %d\n", status&0x7F,(status>>7)&1);        return 0;}

?除0出错？

操作系统如何检测进程内部错误 当进程执行指令时，CPU 硬件会在执行某些操作（如除法运算）的过程中检查操作数是否合法。以整数除法为例，CPU 的算术逻辑单元（ALU）在执行除法操作时，会检查除数是否为零。如果除数为零，这是一种非法的算术操作，硬件会自动触发一个异常条件。

整个程序的执行流程是：

首先,在地址内存空间中加载好了代码和数据，开始：通过地址寄存器eax进行存储操作，存储10,存储时将寄存器ebx的值设为0。CPU中存在一个状态寄存器,称为eFlags寄存器。

CPU的算术逻辑单元(ALU)在执行操作时,会检查除数是否为0。如果除数为0,这是一种非法操作,会触发异常条件。此时,硬件会将状态eFlags寄存器中的溢出标志位置为1。

OS系统要不要知道CPU(硬件)内部出错了? 操作系统需要知道CPU内部出现了错误。它可以通过找到引发异常的进程,然后向该进程发送信号来终止该进程。但即使进程被杀死,其他进程仍需要进行调度和上下文切换等操作。

OS会说：谁把我的CPU搞坏了，接下来就要通过信号杀掉进程!，那OS怎么知道是哪个信号？此时进程中，我们把8号信号补捉了，但是我们进程没有立刻退出，立刻被杀掉！因为进程还需要进行被OS调度：切换（保存上下文数据），进行（比如后续的代码操作）等等

当这个异常进程被杀死前，OS需要保存上下文数据，保证下次再调用时恢复。因此，在上下文切换时,需要保存eax，ebx，ecx，eFlags等一系列寄存器的值。当保存好后，OS调度下一个进程，CPU寄存器只有一套，把上下文数据恢复进来，这时，Efalgs标志位被恢复，溢出标志位一直都是1~这个时候，这个进程又开始死循环异常。

总结： 无论OS需要等待该死循环进程结束后，进程假如后面还有代码，没有退出，再进行后面代码处理，Efalgs标志位，溢出标志位一直都是1~，一样死循环。当重新进来下一个进程，恢复执行时,上下文数据，Efalgs标志位被恢复，溢出标志位一直都是1，会再次触发异常,陷入死循环。

总的来说,这段描述了CPU发生除零错误时的异常处理流程,包括硬件触发异常、OS发现错误、终止异常进程,以及进程切换时上下文保存等步骤。整个过程涉及CPU硬件和操作系统的协作。

?野指针异常?

首先数据和代码在磁盘中，然后磁盘的随物理地址加载到物理内存中，物理内存中也有地址，这个地址为虚拟地址，页表右边是虚拟地址，左边是物理地址。pc存放的下一条执行指令的虚拟，经过pc指令传递给MMU硬件和CR3命令的处理，虚拟地址就可以找到页表的右边的物理地址，当除0这个指令传递给MMU去查页表时，访问0号地址，但是零号地址是无法访问的，这个时候MMU开始出错，一出错，找到这个进程，处理这个进程，进程还不能退出，后续代码也许需要执行，OS需要对进程进行调度，切换，执行，而MMU也有一套寄存器，当这个寄存器除以0出错之后，然后寄存器喵喵也会进行上下文的数据保存。保存之后，他就即使OS调度下一个进程，或者切换这个状态，寄存器状态一直同样也为一，MMU会一直报错，然后就会进程异常终止，但一直没退出。

总结： 由此可以确认，我们在C/C++当中除零，内存越界等异常，在系统层⾯上，是被当成信号处理的。

注意： 通过上⾯的实验，我们可能发现： 发现⼀直有8号信号产⽣被我们捕获，这是为什么呢？上⾯我们只提到CPU运算异常后，如何处理后续的流程，实际上OS会检查应⽤程序的异常情况，其实在CPU中有⼀些控制和状态寄存器，主要⽤于控制处理器的操作，通常由操作系统代码使⽤。状态寄存器可以简单理解 为⼀个位图，对应着⼀些状态标记位、溢出标记位。OS会检测是否存在异常状态，有异常存在就会调⽤对应的异常处理⽅法。

除零异常后，我们并没有清理内存，关闭进程打开的⽂件，切换进程等操作，所以CPU中还保留上下⽂数据以及寄存器内容，除零异常会⼀直存在，就有了我们看到的⼀直发出异常信号的现象。访问⾮法内存其实也是如此，⼤家可以⾃⾏实验。

?⼦进程退出coredump

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int main(){    if(fork() == 0)    {        sleep(1);        int a = 10;        a /= 0;        exit(0);    }    int status = 0;    waitpid(-1, &status, 0);    printf("exit sinal: %d, core dump: %d\n", status&0x7F,(status>>7)&1);    return 0;}

指令：wks@hcss-ecs-ab43:~/code/signal24$ man 7 signal

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   Standard signals       Linux supports the standard signals listed  be‐       low.   The second column of the table indicates       which standard (if any) specified  the  signal:       "P1990"  indicates that the signal is described       in the original POSIX.1-1990 standard;  "P2001"       indicates  that  the  signal was added in SUSv2       and POSIX.1-2001.       "P1990"  indicates that the signal is described       in the original POSIX.1-1990 standard;  "P2001"       indicates  that  the  signal was added in SUSv2       and POSIX.1-2001.       Signal      Standard   Action   Comment       ────────────────────────────────────────────────────────────────────────       SIGABRT      P1990      Core    Abort signal from abort(3)       SIGALRM      P1990      Term    Timer signal from alarm(2)       SIGBUS       P2001      Core    Bus error (bad memory access)       SIGCHLD      P1990      Ign     Child stopped or terminated       SIGCLD         -        Ign     A synonym for SIGCHLD       SIGCONT      P1990      Cont    Continue if stopped       SIGEMT         -        Term    Emulator trap       SIGFPE       P1990      Core    Floating-point exception       SIGHUP       P1990      Term    Hangup detected on controlling terminal                                       or death of controlling process       SIGILL       P1990      Core    Illegal Instruction       SIGINFO        -                A synonym for SIGPWR       SIGINT       P1990      Term    Interrupt from keyboard       SIGIO          -        Term    I/O now possible (4.2BSD)       SIGIOT         -        Core    IOT trap. A synonym for SIGABRT       SIGKILL      P1990      Term    Kill signal       SIGLOST        -        Term    File lock lost (unused)       SIGPIPE      P1990      Term    Broken pipe: write to pipe with no                                       readers; see pipe(7)       SIGPOLL      P2001      Term    Pollable event (Sys V);                                       synonym for SIGIO       SIGPROF      P2001      Term    Profiling timer expired       SIGPWR         -        Term    Power failure (System V)       SIGQUIT      P1990      Core    Quit from keyboard       SIGSEGV      P1990      Core    Invalid memory reference       SIGSTKFLT      -        Term    Stack fault on coprocessor (unused)       SIGSTOP      P1990      Stop    Stop process       SIGTSTP      P1990      Stop    Stop typed at terminal       SIGSYS       P2001      Core    Bad system call (SVr4);                                       see also seccomp(2)       SIGTERM      P1990      Term    Termination signal       SIGTRAP      P2001      Core    Trace/breakpoint trap       SIGTTIN      P1990      Stop    Terminal input for background process       SIGTTOU      P1990      Stop    Terminal output for background process       SIGUNUSED      -        Core    Synonymous with SIGSYS       SIGURG       P2001      Ign     Urgent condition on socket (4.2BSD)       SIGUSR1      P1990      Term    User-defined signal 1       SIGUSR2      P1990      Term    User-defined signal 2       SIGVTALRM    P2001      Term    Virtual alarm clock (4.2BSD)       SIGXCPU      P2001      Core    CPU time limit exceeded (4.2BSD);                                       see setrlimit(2)       SIGXFSZ      P2001      Core    File size limit exceeded (4.2BSD);                                       see setrlimit(2)       SIGWINCH       -        Ign     Window resize signal (4.3BSD, Sun)       The  signals  SIGKILL  and  SIGSTOP  cannot  be       caught, blocked, or ignored.

?Core Dump

SIGINT的默认处理动作是终止进程,SIGQUIT的默认处理动作是终止进程并且Core Dump,现在我们来验证一下。⾸先解释什么是CoreDump。当⼀个进程要异常终⽌时,可以选择把进程的⽤⼾空间内存数据全部保存到磁盘上,⽂件名通常是core,这叫做CoreDump。进程异常终⽌通常是因为有Bug,⽐如⾮法内存访问导致段错误,事后可以⽤调试器检查core⽂件以查清错误原因,这叫做Post-mortem Debug （事后调试）。一个进程允许产生多大的core文件取决于进程的Resource Limit(这个信息保存在PCB中)。默认是不允许产生core文件的,因为core文件中可能包含用户密码等敏感信息,不安全。在开发调试阶段可以用ulimit命令改变这个限制,允许产生core文件。首先用ulimit|命令改变shell进程的Resource Limit ,如允许core|文件最大为1024K: $ ulimit -c1024

core-file core :事后调试

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?总结