面试题：C语言在Linux内核态与用户态下信号屏蔽跨进程同步的融合

内核态和用户态处理信号屏蔽同步的差异和关联

差异
- 内核态：内核态处理信号屏蔽同步主要通过自旋锁、信号量等机制来实现。自旋锁适用于短时间内需要获取锁的情况，它会一直循环等待锁的释放，不进行进程调度，避免上下文切换开销。信号量则适用于长时间等待资源的场景，当信号量不可用时，进程会进入睡眠状态，让出CPU资源。内核态下对信号的处理更侧重于保护内核数据结构和关键代码段的安全访问。
- 用户态：用户态进程使用sigprocmask函数来设置信号屏蔽字，通过sigwaitinfo或sigaction等函数来处理信号。用户态进程在处理信号时，会涉及到进程上下文切换，并且信号处理函数运行在用户态空间。用户态对信号的处理主要是为了响应外部事件（如硬件中断通过信号通知用户态进程），保护用户态进程的数据和代码执行的完整性。
关联
- 内核态可以通过向用户态进程发送信号来通知用户态有特定事件发生。例如，内核检测到硬件故障等事件时，可以向相关用户态进程发送信号。用户态进程通过设置信号处理函数来响应这些信号，实现与内核态的交互和同步。

安全有效地实现两者之间的信号传递与同步机制

内核态向用户态发送信号：内核态可以使用send_sig_info函数向指定用户态进程发送信号。首先需要获取目标进程的task_struct结构体指针，然后调用send_sig_info函数，示例如下：

#include <linux/sched.h>
#include <linux/signal.h>

// 假设已经获取到目标进程的task_struct指针target_task
struct task_struct *target_task; 
send_sig_info(SIGUSR1, &info, target_task);

用户态接收和处理信号：用户态进程使用sigaction函数来注册信号处理函数。示例如下：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void signal_handler(int signum) {
    printf("Received signal %d\n", signum);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }

    while(1) {
        // 主循环
    }

    return 0;
}

信号屏蔽同步：
- 用户态：使用sigprocmask函数来设置信号屏蔽字，防止信号在特定时间内被处理。例如，在执行关键代码段前屏蔽信号，执行完后恢复信号处理。

sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGUSR1);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
// 关键代码段
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);

- **内核态**：在需要保护的关键代码段前获取相应的自旋锁或信号量，代码段结束后释放。例如，使用自旋锁：

spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock(&lock);
// 关键代码段
spin_unlock(&lock);

关键的代码框架及涉及到的内核与用户态交互函数

内核态关键函数
- send_sig_info：用于向指定进程发送信号，并附带额外信息。
- spin_lock/spin_unlock：自旋锁相关函数，用于保护内核关键代码段。
- down/up（信号量相关函数，现在更推荐使用mutex相关函数）：用于信号量操作，控制对共享资源的访问。
用户态关键函数
- sigaction：用于注册信号处理函数。
- sigprocmask：用于设置信号屏蔽字。
- sigwaitinfo：用于等待特定信号，并获取信号相关信息。

示例代码框架

内核模块代码框架

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/signal.h>

static int __init my_module_init(void) {
    struct task_struct *target_task;
    // 假设这里通过某种方式获取到目标进程的task_struct指针
    target_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns); 
    struct siginfo info;
    info.si_signo = SIGUSR1;
    info.si_errno = 0;
    info.si_code = SI_USER;
    send_sig_info(SIGUSR1, &info, target_task); 
    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void) {
    // 模块退出清理代码
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

用户态进程代码框架

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void signal_handler(int signum) {
    printf("Received signal %d\n", signum);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }

    while(1) {
        // 主循环
    }

    return 0;
}

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面试题：C语言在Linux内核态与用户态下信号屏蔽跨进程同步的融合

知识考点

面试题答案

内核态和用户态处理信号屏蔽同步的差异和关联

安全有效地实现两者之间的信号传递与同步机制

关键的代码框架及涉及到的内核与用户态交互函数

示例代码框架