在初學(xué)linux編程的時候，一直覺得異步信號handle是個很神奇的東西，用戶程序可以使用singal之類的系統(tǒng)調(diào)用為某某信號注冊一個信號處理函數(shù)（handle函數(shù)）。

程序的二進(jìn)制代碼在內(nèi)存中都有著確定的執(zhí)行流程，為什么收到異步信號以后，程序會被“中斷”，然后跳轉(zhuǎn)到這個handle函數(shù)里面去運行呢？內(nèi)核怎么有能力讓程序做這樣的跳轉(zhuǎn)呢，總不可能臨時修改程序的可執(zhí)行代碼吧？

后來學(xué)習(xí)了一些內(nèi)核知識，才知道原來進(jìn)程收到信號以后，并不是立即就被“中斷”的，而是先在進(jìn)程的控制結(jié)構(gòu)（task_struct）中記錄下收到了某某信號，然后等到進(jìn)程即將從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)的時候，流程才被“中斷”，handle函數(shù)才被調(diào)用。

用戶進(jìn)程什么時候會從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)呢？一般主要是三種情況：系統(tǒng)調(diào)用（用戶進(jìn)程主動進(jìn)入內(nèi)核）、中斷（用戶進(jìn)程被動進(jìn)入內(nèi)核）、被調(diào)度執(zhí)行（用戶進(jìn)程從等待執(zhí)行變?yōu)檎趫?zhí)行）。

進(jìn)程從收到信號到它從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)的過程，是需要一定時間的。但是這個時間一般會很短，至少時鐘中斷會以較大的頻率（比如1毫秒一次）將用戶進(jìn)程帶入內(nèi)核（當(dāng)然，只針對正在執(zhí)行的進(jìn)程）。

在進(jìn)程即將從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時，如果有信號需要處理，對應(yīng)的handle函數(shù)將被調(diào)用（當(dāng)然，可能沒有注冊handle，這時內(nèi)核對信號進(jìn)行默認(rèn)的處理）。注意，現(xiàn)在進(jìn)程還在內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核是怎么調(diào)用用戶態(tài)的handle函數(shù)的呢？

直接調(diào)用可以嗎？當(dāng)然不行。內(nèi)核代碼運行在高CPU特權(quán)級別下，如果直接調(diào)用handle函數(shù)，則handle函數(shù)也將在相同的CPU特權(quán)下被執(zhí)行。那么用戶將可以在handle函數(shù)里面為所欲為。

所以，調(diào)用handle必須先返回用戶態(tài)。但是返回用戶態(tài)后，程序流程又不受內(nèi)核控制了，難不成內(nèi)核還真的把用戶進(jìn)程的可執(zhí)行代碼臨時改掉？

內(nèi)核實際的做法還是比較巧妙。用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核以后，都會在其對應(yīng)的內(nèi)核棧上留下返回地址，以便流程返回。內(nèi)核調(diào)用handle函數(shù)的辦法就是臨時改掉棧上的返回地址，然后按原有的返回用戶態(tài)的流程去返回。結(jié)果這一返回，就到了handle函數(shù)去了。（當(dāng)然，需要修改的并不止是返回地址，而是一整個調(diào)用棧。）

雖然現(xiàn)在臨時把返回地址改了，但是用戶進(jìn)程最終還是要返回到原先那個返回地址去的。那么，原先的返回地址及其調(diào)用棧應(yīng)該保存在哪里呢？進(jìn)程的內(nèi)核棧空間有限，并且還需要應(yīng)付handle函數(shù)中可能發(fā)生的系統(tǒng)調(diào)用，所以內(nèi)核把這些信息放在內(nèi)核棧上是不現(xiàn)實的，只能壓到了用戶棧上去。

當(dāng)handle函數(shù)執(zhí)行完畢，執(zhí)行流程要返回到內(nèi)核去。同樣，由于CPU特權(quán)級別不同，從handle函數(shù)返回內(nèi)核時不能單純地利用RET指令去返回的。需要執(zhí)行一次系統(tǒng)調(diào)用。

在handle執(zhí)行完后，為什么要回到內(nèi)核，再從內(nèi)核返回到原始返回地址呢？如果直接返回到原始的返回地址那自然是很便捷。并且要這么做也不難，原始返回地址及其調(diào)用棧已經(jīng)被壓到了用戶棧上，內(nèi)核只需要在handle函數(shù)的調(diào)用棧上稍做手腳就行了。

1、返回到原始返回地址并不是回到那個地址就行了，需要把整個現(xiàn)場都恢復(fù)（主要是寄存器什么的）。當(dāng)然，內(nèi)核也可以在用戶棧上面壓一些代碼，來完成這些事情；

2、現(xiàn)在可能不止一個信號要處理，最好讓用戶進(jìn)程返回內(nèi)核，繼續(xù)處理其他信號；

為了返回內(nèi)核，首先，內(nèi)核在返回到handle函數(shù)之前，先將某個返回地址壓到用戶棧上，以便從handle返回時能夠返回到指定的地址上。這個指定的地址其實也在進(jìn)程的用戶棧上，內(nèi)核又在這個地址上放了幾條指令（在棧上放置可執(zhí)行代碼），讓進(jìn)程去調(diào)用一個名叫sigreturn的系統(tǒng)調(diào)用。

返回到handle函數(shù)前的用戶棧大致如下：

原有數(shù)據(jù) -》 調(diào)用sigreturn的指令（設(shè)其地址為a） -》 原始返回地址及其調(diào)用棧 -》 返回地址（值為a） -》 handle的棧變量

內(nèi)核在handle函數(shù)的調(diào)用棧上放置sigreturn指令，這是在linux 2.4時的做法。每次調(diào)用用戶的handle函數(shù)都需要向用戶棧拷貝這么幾條指令，這并不太好。

linux 2.6有一個叫vsyscall page的頁面，上面包含了內(nèi)核為用戶程序準(zhǔn)備的一些指令，其中就包括調(diào)用sigreturn指令。這個vsyscall頁被映射到每個進(jìn)程的虛擬地址空間靠近末尾的部分，被所有用戶進(jìn)程共享，對于用戶進(jìn)程是只讀的。這樣，handle函數(shù)的調(diào)用棧上就不需要再塞入sigreturn指令了，直接將handle函數(shù)的返回地址設(shè)為vsyscall頁中對應(yīng)的代碼即可。

為了讓handle執(zhí)行完以后自動調(diào)用sigreturn返回內(nèi)核，內(nèi)核做了很多事情。那么可不可以約定好，讓用戶自己去調(diào)用sigreturn呢？

當(dāng)然，這是可以的。只是為了讓信號處理機制成為一套完整的機制，內(nèi)核并沒有這么做。否則用戶在handle函數(shù)里面忘記調(diào)用sigreturn的話，可能莫名其妙地進(jìn)程就崩潰了。而編譯器也很難找出這樣的錯誤。

進(jìn)程調(diào)用sigreturn系統(tǒng)調(diào)用重新進(jìn)入內(nèi)核后，壓在用戶棧上的原始返回地址及其調(diào)用棧被獲取。最終內(nèi)核又會修改棧，讓進(jìn)程返回用戶空間時返回到這個原始返回地址上。