要理解Linux中内核如何对信号进行捕捉，我们需要很多前置知识的理解：

• 内核态和用户态的区别
• CPU指令集权限
• 内核态和用户态之间的切换

由于文章的侧重点不同，上面这些知识我会在这篇文章尽量详细提及，更详细内容还得请大家查看这篇文章：
内核态与用户态详解

---

一、内核态和用户态的区别

内核态和用户态本质上是对CPU状态的描述。内核态的权限最大，能够执行一切“特权代码”。而用户态则受限制，必须切换到内核态才能执行“特权代码”。

这就意味着内核态能够调度全部硬件资源，本质上就是对权限进行保护。由于硬件资源非常复杂，稍有不慎就会出现很大的问题，所以不是人人都有权限去调度。这样做就是为了安全性和稳定性。

---

二、CPU指令集权限

具体来说每一条汇编指令都对应一条CPU指令，非常多的CPU指令组成了CPU指令集。指令集则通过CPU实现软件对硬件的调度。
同时CPU指令有分级权限。CPU指令能够操作硬件资源，硬件资源是非常复杂的，很容易出问题。所以操作系统直接屏蔽掉用户对CPU指令集的操作。

CPU指令分级总共有四级，从高到低依次为：

• ring0
• ring1
• ring2
• ring3

Linux系统仅采用ring0和ring3这2个权限。用户态的程序工作在3，内核态的程序处于0：

• ring0权限最高，可以使用所有CPU指令集，有对硬件的所有操作权限
• ring3权限最低，仅能使用常规CPU指令集，不能使用操作硬件资源的CPU指令集。代码没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问地址的内存，程序是通过调用系统接口(System Call APIs)来达到访问硬件和内存

---

三、内核态和用户态之间的切换

1.如何理解进程切换？

• 在当前进程的进程地址空间中的内核空间，找到操作系统的代码和数据。
• 执行操作系统的代码，将当前进程的代码和数据剥离下来，并换上另一个进程的代码和数据。

注意： 当你访问用户空间时你必须处于用户态，当你访问内核空间时你必须处于内核态。

从用户态切换为内核态通常有如下几种情况：

• 需要进行系统调用时。
• 当前进程的时间片到了，导致进程切换。
• 产生异常、中断、陷阱等。

与之相对应，从内核态切换为用户态有如下几种情况：

• 系统调用返回时。
• 进程切换完毕。
• 异常、中断、陷阱等处理完毕。

其中，由用户态切换为内核态我们称之为陷入内核。每当我们需要陷入内核的时，本质上是因为我们需要执行操作系统的代码，比如系统调用函数是由操作系统实现的，我们要进行系统调用就必须先由用户态切换为内核态。

2.系统调用

用户态要主动切换到内核态要有统一的入口，它们就是内核提供的系统调用接口，下面是Linux整体架构图：

我们可以看出来通过系统调用将Linux整个体系分为内核态和用户态，而内核提供了一组通用的访问接口，它们使应用程序能访问到内核的资源，如CPU、内存、I/O，这些接口就叫系统调用。

---

四、内核如何实现信号的捕捉？

当我们在执行主控制流程的时候，可能因为某些情况而陷入内核，当内核处理完毕准备返回用户态时，就需要进行信号pending的检查。（此时仍处于内核态，有权力查看当前进程的pending位图）

在查看pending位图时，如果发现有未决信号，并且该信号没有被阻塞，那么此时就需要该信号进行处理。

1.待处理信号是默认或忽略

如果待处理信号的处理动作是默认或者忽略，则执行该信号的处理动作后清除对应的pending标志位，如果没有新的信号要递达，就直接返回用户态，从主控制流程中上次被中断的地方继续向下执行即可。

2.待处理信号是自定义捕捉的

但如果待处理信号是自定义捕捉的，即该信号的处理动作是由用户提供的，那么处理该信号时就需要先返回用户态执行对应的自定义处理动作，执行完后再通过特殊的系统调用sigreturn再次陷入内核并清除对应的pending标志位，如果没有新的信号要递达，就直接返回用户态，继续执行主控制流程的代码。

注意： sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。

3.巧记

当待处理信号是自定义捕捉时的情况比较复杂，可以借助下图进行记忆：

其中，该图形与直线有4个交点就代表在这期间有4次状态切换，而箭头的方向就代表着此次状态切换的方向，图形中间的圆点就代表着检查pending表。

---

当识别到信号的处理动作是自定义时，能直接在内核态执行用户空间的代码吗？不能！！！

• 理论上来说是可以的，因为内核态是一种权限非常高的状态，但是绝对不能这样设计。
• 如果允许在内核态直接执行用户空间的代码，那么用户就可以在代码中设计一些非法操作，比如清空数据库等，虽然在用户态时没有足够的权限做到清空数据库，但是如果是在内核态时执行了这种非法代码，那么数据库就真的被清空了，因为内核态是有足够权限清空数据库的。
• 也就是说，不能让操作系统直接去执行用户的代码，因为操作系统无法保证用户的代码是合法代码，即操作系统不信任任何用户。

---

特别鸣谢：
Linux进程信号
内核态与用户态详解