操作系统中断与信号处理

一、中断机制原理与实践

中断是操作系统实现紧急事件处理和任务调度的关键机制，通过硬件与软件协同工作，确保系统对各类突发情况的及时响应。

1.1 中断分类

中断主要分为硬件中断与软件中断两类。硬件中断由外部硬件设备触发，如键盘、网卡等；软件中断则由程序执行特定指令引发，常见于系统调用场景。

1.2 典型硬件中断流程示例

（1）键盘输入中断处理

/* 按键动作
// 当检测到按键按下，键盘硬件电路生成电信号
// 键盘控制器将电信号转换为数据并发送中断请求
*/

/* 中断响应
// CPU接收中断信号（假设当前运行任务为Task A）
// 保存Task A的运行上下文（包括程序计数器PC、寄存器状态等）
// 暂停Task A的执行
*/

/* 中断处理
// CPU根据中断向量表找到键盘中断对应的服务程序
// 执行中断服务程序：
// 读取键盘硬件寄存器数据，获取按键扫描码
// 将扫描码转换为字符编码
*/

/* 事件传递
// 中断服务程序将处理后的键盘事件传递给操作系统
// 操作系统根据当前活动窗口，将事件发送给对应应用程序
// 应用程序更新界面显示输入字符
*/

/* 任务恢复
// 操作系统完成事件处理后
// 恢复Task A的运行上下文
// CPU继续执行Task A
*/

（2）网卡数据接收中断

/* 数据到达检测
// 网卡接收到网络数据包
// 检查数据包MAC地址是否为本机地址
*/

/* 中断请求发送
// 若数据包目标地址为本机
// 网卡向CPU发送硬件中断请求
*/

/* 中断处理流程
// CPU暂停当前任务，保存上下文
// 执行网卡中断服务程序：
// 从网卡缓冲区读取数据包
// 校验数据包完整性
// 将数据包存储到系统内存
*/

/* 系统处理
// 操作系统解析网络协议头（如IP、TCP）
// 根据协议类型将数据转发给相应网络服务
// 若为HTTP请求，传递给Web服务器程序
*/

1.3 软件中断示例（以文件读取系统调用为例）

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        // 错误处理
        return -1;
    }

    char buffer[1024];
    // 执行read系统调用，触发软件中断
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read < 0) {
        // 读取错误处理
    }

    close(fd);
    return 0;
}

在上述代码中，read函数调用触发软件中断，CPU 切换到内核态执行文件读取操作，完成后将数据返回给用户态程序。

二、信号机制原理与应用

信号作为进程间通信的轻量级方式，在操作系统中承担着事件通知与进程控制的重要功能。

2.1 信号的产生与分类

在 Linux 系统中，信号产生来源广泛，主要包括：

用户交互信号：如SIGINT（Ctrl+C，中断进程）、SIGQUIT（Ctrl+\，终止进程并生成核心转储）、SIGTSTP（Ctrl+Z，暂停进程）。
异常相关信号：SIGSEGV（非法内存访问）、SIGFPE（算术运算错误）、SIGBUS（硬件故障相关内存访问）。
进程状态信号：SIGCHLD（子进程状态改变）、SIGHUP（终端连接断开）。
显式控制信号：SIGKILL（强制终止进程，不可捕获）、SIGSTOP（暂停进程，不可捕获）。

2.2 信号处理机制

（1）默认处理

进程对未自定义处理的信号采用系统默认行为，例如SIGINT默认终止进程，SIGCHLD默认忽略。

（2）信号忽略

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

int main() {
    // 忽略SIGINT信号
    signal(SIGINT, SIG_IGN);
    printf("SIGINT信号已被忽略\n");

    while (1) {
        sleep(1);
        printf("程序持续运行...\n");
    }
    return 0;
}

上述代码通过signal函数将SIGINT信号设置为忽略状态，此时按下 Ctrl+C 无法终止程序。

（3）自定义信号处理

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

void signal_handler(int signum) {
    printf("接收到信号：%d\n", signum);
    // 自定义处理逻辑
}

int main() {
    // 注册SIGINT信号处理函数
    signal(SIGINT, signal_handler);
    printf("等待信号...\n");

    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}