Segmentation Fault ทำงานอย่างไรภายใต้ประทุน?

ฉันไม่สามารถหาข้อมูลใด ๆ นอกเหนือไปจาก "MMU ของ CPU ส่งสัญญาณ" และ "เคอร์เนลนำมันไปยังโปรแกรมที่ละเมิดทำให้ยุติ"

"Segmentation fault"ฉันคิดว่ามันอาจจะส่งสัญญาณไปยังเปลือกและเปลือกจัดการกับมันโดยยกเลิกกระบวนการที่กระทำผิดและการพิมพ์ ดังนั้นฉันทดสอบสมมติฐานโดยการเขียนเชลล์ที่น้อยที่สุดที่ฉันเรียกว่าcrsh (crap shell) เชลล์นี้ไม่ได้ทำอะไรเลยนอกจากเอาข้อมูลผู้ใช้และป้อนไปยังsystem()วิธีการ

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(){
    char cmdbuf[1000];
    while (1){
        printf("Crap Shell> ");
        fgets(cmdbuf, 1000, stdin);
        system(cmdbuf);
    }
}

ดังนั้นฉันจึงวิ่งเปลือกนี้ใน terminal เปลือย (โดยไม่ต้องbashวิ่งภายใต้) จากนั้นฉันก็ดำเนินการเรียกใช้โปรแกรมที่สร้าง segfault หากสมมติฐานของฉันถูกต้องสิ่งนี้อาจจะเป็น) ความผิดพลาดcrshปิด xterm, b) ไม่พิมพ์"Segmentation fault"หรือ c) ทั้งสองอย่าง

braden@system ~/code/crsh/ $ xterm -e ./crsh
Crap Shell> ./segfault
Segmentation fault
Crap Shell> [still running]

กลับไปที่ช่องสี่เหลี่ยมฉันเดา ฉันเพิ่งแสดงให้เห็นว่ามันไม่ใช่เชลล์ที่ทำสิ่งนี้ แต่เป็นระบบที่อยู่ด้านล่าง "ข้อผิดพลาดในการแบ่งกลุ่ม" จะได้รับการพิมพ์อย่างไร "ใคร" กำลังทำอะไรอยู่ เคอร์เนล อื่น ๆ อีก? สัญญาณและผลข้างเคียงทั้งหมดแพร่กระจายจากฮาร์ดแวร์ไปจนถึงการสิ้นสุดในที่สุดของโปรแกรมอย่างไร

ซีพียูที่ทันสมัยทั้งหมดมีความสามารถในการขัดจังหวะคำสั่งเครื่องที่ดำเนินการอยู่ในปัจจุบัน พวกเขาบันทึกสถานะเพียงพอ (โดยปกติ แต่ไม่เสมอไปบนสแต็ก) เพื่อให้สามารถดำเนินการต่อได้ในภายหลังราวกับว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น (คำสั่งที่ถูกขัดจังหวะจะเริ่มใหม่จากศูนย์) จากนั้นพวกเขาก็เริ่มดำเนินการตัวจัดการขัดจังหวะซึ่งเป็นเพียงรหัสเครื่องมากขึ้น แต่วางไว้ในตำแหน่งพิเศษเพื่อให้ CPU รู้ว่ามันอยู่ที่ไหนล่วงหน้า ตัวจัดการขัดจังหวะมักเป็นส่วนหนึ่งของเคอร์เนลของระบบปฏิบัติการ: ส่วนประกอบที่ทำงานด้วยสิทธิ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดและรับผิดชอบในการควบคุมการทำงานของส่วนประกอบอื่น ๆ ทั้งหมด ^1,2

อินเทอร์รัปต์สามารถซิงโครนัสซึ่งหมายความว่าซีพียูทำงานโดยการตอบสนองโดยตรงกับสิ่งที่คำสั่งที่ดำเนินการในปัจจุบันหรืออะซิงโครนัสซึ่งหมายความว่าเกิดขึ้นในเวลาที่ไม่แน่นอนเนื่องจากเหตุการณ์ภายนอกเช่นข้อมูลที่มาถึงเครือข่าย ท่าเรือ. บางคนจองคำว่า "ขัดจังหวะ" สำหรับการขัดจังหวะแบบอะซิงโครนัสและเรียกการขัดจังหวะแบบซิงโครนัส "กับดัก", "ความผิดพลาด" หรือ "ยกเว้น" แทน แต่คำเหล่านั้นทั้งหมดมีความหมายอื่น ๆ

ขณะนี้ระบบปฏิบัติการที่ทันสมัยส่วนใหญ่มีแนวคิดเกี่ยวกับกระบวนการต่างๆ โดยพื้นฐานแล้วนี่คือกลไกที่คอมพิวเตอร์สามารถรันโปรแกรมได้มากกว่าหนึ่งโปรแกรมในเวลาเดียวกัน แต่มันก็เป็นแง่มุมที่สำคัญของระบบปฏิบัติการที่กำหนดค่าการป้องกันหน่วยความจำซึ่งเป็นคุณสมบัติส่วนใหญ่ (แต่อนิจจา ยังไม่หมด ) ซีพียูที่ทันสมัย มันไปพร้อมกับหน่วยความจำเสมือนซึ่งเป็นความสามารถในการเปลี่ยนการแมประหว่างที่อยู่หน่วยความจำและสถานที่จริงใน RAM การป้องกันหน่วยความจำช่วยให้ระบบปฏิบัติการให้แต่ละกระบวนการของ RAM ส่วนตัวที่สามารถเข้าถึงได้เท่านั้น นอกจากนี้ยังช่วยให้ระบบปฏิบัติการ (ทำหน้าที่ในนามของกระบวนการบางอย่าง) เพื่อกำหนดขอบเขตของ RAM เป็นแบบอ่านอย่างเดียว, ปฏิบัติการได้, ใช้ร่วมกันระหว่างกลุ่มของกระบวนการที่ให้ความร่วมมือเป็นต้นนอกจากนี้ยังจะมีหน่วยความจำที่เข้าถึงได้โดย เมล็ด ³

ตราบใดที่แต่ละกระบวนการเข้าถึงหน่วยความจำเฉพาะในวิธีที่ CPU ได้รับการกำหนดค่าให้อนุญาตการป้องกันหน่วยความจำก็จะมองไม่เห็น เมื่อกระบวนการแตกกฎ CPU จะสร้างการขัดจังหวะแบบซิงโครนัสขอให้เคอร์เนลเรียงลำดับสิ่งต่าง ๆ มันเกิดขึ้นเป็นประจำว่ากระบวนการไม่ได้ผิดกฎจริงๆเพียงเคอร์เนลต้องทำงานบางอย่างก่อนที่กระบวนการจะได้รับอนุญาตให้ดำเนินการต่อ ตัวอย่างเช่นหากหน้าของหน่วยความจำของกระบวนการต้อง "ขับไล่" ไปยังไฟล์ swap เพื่อเพิ่มพื้นที่ว่างใน RAM สำหรับอย่างอื่นเคอร์เนลจะทำเครื่องหมายหน้านั้นไม่สามารถเข้าถึงได้ ครั้งต่อไปที่กระบวนการพยายามใช้ CPU จะสร้างการป้องกันหน่วยความจำขัดจังหวะ เคอร์เนลจะดึงหน้าจากการสลับวางกลับไปที่เดิมทำเครื่องหมายสามารถเข้าถึงได้อีกครั้งและดำเนินการต่อ

แต่สมมติว่ากระบวนการทำผิดกฎจริงๆ มันพยายามเข้าถึงหน้าเว็บที่ไม่เคยมี RAM ใดถูกแมปไว้หรือพยายามเรียกใช้หน้าที่ถูกทำเครื่องหมายว่าไม่มีรหัสเครื่องหรืออะไรก็ตาม ตระกูลของระบบปฏิบัติการที่รู้จักกันทั่วไปว่า "Unix" ทุกคนใช้สัญญาณเพื่อจัดการกับสถานการณ์นี้ ⁴สัญญาณคล้ายกับการขัดจังหวะ แต่ถูกสร้างขึ้นโดยเคอร์เนลและสอดแทรกโดยกระบวนการแทนที่จะสร้างโดยฮาร์ดแวร์และสอดแทรกโดยเคอร์เนล กระบวนการสามารถกำหนดตัวจัดการสัญญาณในรหัสของตัวเองและบอกเคอร์เนลว่าพวกเขาอยู่ที่ไหน ตัวจัดการสัญญาณเหล่านั้นจะดำเนินการขัดจังหวะการไหลปกติของการควบคุมเมื่อจำเป็น สัญญาณทั้งหมดมีจำนวนและชื่อสองชื่อหนึ่งชื่อเป็นอักษรย่อและอีกชื่อหนึ่งเป็นวลีลับน้อยกว่าเล็กน้อย สัญญาณที่สร้างขึ้นเมื่อกระบวนการแบ่งกฎการป้องกันหน่วยความจำคือ (ตามการประชุม) หมายเลข 11 และชื่อของมันคือSIGSEGVและ "การแบ่งกลุ่มผิด" ^5,6

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสัญญาณและการขัดจังหวะคือว่ามีพฤติกรรมเริ่มต้นสำหรับทุกสัญญาณ หากระบบปฏิบัติการล้มเหลวในการกำหนดตัวจัดการสำหรับการขัดจังหวะทั้งหมดนั่นคือข้อผิดพลาดในระบบปฏิบัติการและคอมพิวเตอร์ทั้งหมดจะทำงานล้มเหลวเมื่อ CPU พยายามเรียกใช้ตัวจัดการที่หายไป แต่กระบวนการไม่มีภาระผูกพันในการกำหนดตัวจัดการสัญญาณสำหรับสัญญาณทั้งหมด หากเคอร์เนลสร้างสัญญาณสำหรับกระบวนการและสัญญาณนั้นถูกทิ้งไว้ที่พฤติกรรมเริ่มต้นเคอร์เนลจะดำเนินการต่อไปและทำทุกอย่างที่เป็นค่าเริ่มต้นและไม่รบกวนกระบวนการ พฤติกรรมเริ่มต้นของสัญญาณส่วนใหญ่เป็น "ไม่ทำอะไรเลย" หรือ "ยุติกระบวนการนี้และอาจสร้างคอร์ดัมพ์" SIGSEGVเป็นหนึ่งในหลัง

ดังนั้นในการสรุปเรามีกระบวนการที่ทำลายกฎการป้องกันหน่วยความจำ CPU ระงับกระบวนการและสร้างการขัดจังหวะแบบซิงโครนัส เคอร์เนลที่สอดแทรกและสร้างSIGSEGVสัญญาณสำหรับกระบวนการ สมมติว่ากระบวนการไม่ได้ตั้งค่าตัวจัดการสัญญาณสำหรับSIGSEGVดังนั้นเคอร์เนลดำเนินพฤติกรรมเริ่มต้นซึ่งจะยุติกระบวนการ สิ่งนี้มีเอฟเฟกต์เหมือนกับการ_exitเรียกของระบบ: เปิดไฟล์ถูกปิด, หน่วยความจำถูกจัดสรรคืน, ฯลฯ

จนถึงจุดนี้ไม่มีอะไรพิมพ์ข้อความใด ๆ ที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้และเชลล์ (หรือโดยทั่วไปกระบวนการหลักของกระบวนการที่เพิ่งถูกยกเลิก) ไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องเลย SIGSEGVไปที่กระบวนการที่ทำลายกฎไม่ใช่หลัก อย่างไรก็ตามขั้นตอนต่อไปในลำดับนั้นคือการแจ้งให้ทราบถึงกระบวนการแม่ว่าลูกของมันถูกยกเลิก นี้สามารถเกิดขึ้นในรูปแบบที่แตกต่างกันหลายแห่งที่ง่ายที่สุดคือเมื่อผู้ปกครองแล้วรอสำหรับการแจ้งเตือนนี้ใช้หนึ่งในwaitสายระบบ ( wait, waitpid, wait4ฯลฯ ) ในกรณีนั้นเคอร์เนลจะทำให้การเรียกของระบบนั้นกลับมาและจัดหากระบวนการหลักด้วยหมายเลขรหัสที่เรียกว่าสถานะการออก. ⁷สถานะการออกแจ้งให้ผู้ปกครองทราบว่าเหตุใดกระบวนการลูกจึงถูกยกเลิก ในกรณีนี้มันจะได้เรียนรู้ว่าเด็กถูกยกเลิกเนื่องจากพฤติกรรมเริ่มต้นของSIGSEGVสัญญาณ

กระบวนการหลักอาจรายงานเหตุการณ์ต่อมนุษย์โดยการพิมพ์ข้อความ โปรแกรมเชลล์ทำสิ่งนี้เกือบทุกครั้ง คุณcrshไม่ได้ใส่รหัสในการทำเช่นนั้น แต่มันเกิดขึ้นแล้วเพราะรูทีนไลบรารี่ C systemเรียกใช้เชลล์ที่มีคุณสมบัติครบถ้วน/bin/sh, "ภายใต้ประทุน" crshเป็นปู่ย่าตายายในสถานการณ์นี้ การแจ้งเตือนกระบวนการหลักจะถูกสอดแทรกด้วย/bin/shซึ่งจะพิมพ์ข้อความตามปกติ แล้ว/bin/shตัวเองออกเพราะมันมีอะไรมากกว่าที่จะทำและการดำเนินงานห้องสมุด C ของsystemได้รับว่าการแจ้งเตือนทางออก คุณสามารถเห็นการแจ้งเตือนการออกในรหัสของคุณโดยตรวจสอบค่าส่งคืนของsystem; แต่มันจะไม่บอกคุณว่ากระบวนการหลานจะตายใน segfault เพราะมันถูกใช้โดยกระบวนการเชลล์ระดับกลาง

เชิงอรรถ

1. ระบบปฏิบัติการบางระบบไม่ใช้ไดรเวอร์อุปกรณ์เป็นส่วนหนึ่งของเคอร์เนล แต่ทั้งหมดไสขัดขวางยังคงต้องเป็นส่วนหนึ่งของเมล็ดและเพื่อไม่รหัสที่กำหนดค่าการป้องกันหน่วยความจำเพราะฮาร์ดแวร์ไม่ยอมให้อะไรแต่เคอร์เนลที่จะทำสิ่งเหล่านี้

2. อาจจะมีโปรแกรมที่เรียกว่า "ไฮเปอร์ไวเซอร์" หรือ "ผู้จัดการเครื่องเสมือน" ที่แม้มีสิทธิพิเศษมากกว่าเคอร์เนล แต่สำหรับวัตถุประสงค์ของคำตอบนี้ก็ถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของฮาร์ดแวร์

3. เคอร์เนลเป็นโปรแกรมแต่มันไม่ใช่กระบวนการ มันเหมือนห้องสมุดมากขึ้น กระบวนการทั้งหมดดำเนินการบางส่วนของรหัสเคอร์เนลเป็นครั้งคราวนอกเหนือจากรหัสของตัวเอง อาจจะมีจำนวนของ "หัวข้อเคอร์เนล" ที่เพียงรันโค้ดเคอร์เนล แต่พวกเขาไม่ได้กังวลเราได้ที่นี่

4. ระบบปฏิบัติการเพียงระบบเดียวที่คุณต้องจัดการอีกต่อไปซึ่งไม่สามารถนำมาใช้กับ Unix ได้คือ Windows มันไม่ได้ใช้สัญญาณในสถานการณ์นี้ (อันที่จริงก็ไม่ได้มีสัญญาณ; หน้าต่าง<signal.h>อินเตอร์เฟซที่จะแกล้งอย่างสมบูรณ์โดยห้องสมุด C.) จะใช้สิ่งที่เรียกว่า " การจัดการข้อยกเว้นที่มีโครงสร้าง " แทน

5. บางละเมิดหน่วยความจำป้องกันการสร้างSIGBUS(ข้อผิดพลาด "รถเมล์") SIGSEGVแทน เส้นแบ่งระหว่างทั้งสองถูกขีดเส้นใต้และแตกต่างกันไปตามระบบ หากคุณเคยเขียนโปรแกรมที่กำหนดจัดการสำหรับมันอาจจะเป็นความคิดที่ดีที่จะกำหนดจัดการเดียวกันSIGSEGVSIGBUS

6. "ความผิดพลาดในการแบ่งกลุ่ม" เป็นชื่อของการขัดจังหวะที่สร้างขึ้นสำหรับการละเมิดของหน่วยความจำป้องกันโดยหนึ่งในคอมพิวเตอร์ที่วิ่งไปที่เดิม UnixอาจจะPDP-11 " การแบ่งกลุ่ม " เป็นการป้องกันหน่วยความจำชนิดหนึ่งแต่ทุกวันนี้คำว่า "การแบ่งเซ็กเมนต์ผิด " หมายถึงการละเมิดการป้องกันหน่วยความจำประเภทใด ๆ โดยทั่วไป

7. วิธีอื่นทั้งหมดที่กระบวนการผู้ปกครองอาจได้รับแจ้งของเด็กที่มีการยกเลิกท้ายด้วยการเรียกผู้ปกครองwaitและรับสถานะทางออก เป็นเพียงสิ่งอื่นที่เกิดขึ้นก่อน

เชลล์มีบางสิ่งที่เกี่ยวข้องกับข้อความนั้นและcrshเรียกเชลล์ทางอ้อมซึ่งอาจเป็นbashไปได้

ฉันเขียนโปรแกรม C ขนาดเล็กที่มักจะผิดพลาด seg:

#include <stdio.h>

int
main(int ac, char **av)
{
        int *i = NULL;

        *i = 12;

        return 0;
}

เมื่อฉันเรียกใช้จากเปลือกเริ่มต้นของzshฉันฉันได้รับสิ่งนี้:

4 % ./segv
zsh: 13512 segmentation fault  ./segv

เมื่อฉันเรียกใช้จากbashฉันได้สิ่งที่คุณบันทึกไว้ในคำถามของคุณ:

bediger@flq123:csrc % ./segv
Segmentation fault

ฉันกำลังจะไปเขียนจัดการสัญญาณในรหัสของฉันแล้วฉันตระหนักว่าsystem()โทรห้องสมุดใช้โดยcrshexec เป็นเปลือกตาม/bin/sh man 3 systemนั่น/bin/shคือการพิมพ์ "การแบ่งกลุ่มผิดพลาด" เนื่องจากcrshไม่ใช่อย่างแน่นอน

หากคุณเขียนใหม่crshเพื่อใช้การexecve()เรียกของระบบเพื่อเรียกใช้โปรแกรมคุณจะไม่เห็นสตริง "การแบ่งกลุ่มความผิดพลาด" system()มันมาจากเปลือกเรียกโดย

ฉันไม่สามารถหาข้อมูลใด ๆ นอกเหนือไปจาก "MMU ของ CPU ส่งสัญญาณ" และ "เคอร์เนลนำมันไปยังโปรแกรมที่ละเมิดทำให้ยุติ"

นี่เป็นบทสรุปที่อ่านไม่ออก กลไกสัญญาณ Unix นั้นแตกต่างจากเหตุการณ์เฉพาะ CPU ที่เริ่มต้นกระบวนการ

โดยทั่วไปเมื่อเข้าถึงที่อยู่ที่ไม่ดี (หรือเขียนไปยังพื้นที่แบบอ่านอย่างเดียวพยายามที่จะดำเนินการส่วนที่ไม่สามารถดำเนินการได้ ฯลฯ ) CPU จะสร้างเหตุการณ์เฉพาะ CPU บางตัว (บนสถาปัตยกรรมที่ไม่ใช่ VM แบบดั้งเดิมนี่คือ เรียกว่าการละเมิดการแบ่งส่วนเนื่องจากแต่ละ "ส่วน" (ตามธรรมเนียมข้อความ "ปฏิบัติการ" แบบอ่านได้อย่างเดียว "ข้อมูล" ที่เขียนได้และมีความยาวตัวแปรและสแต็กแบบดั้งเดิมที่ปลายด้านตรงข้ามของหน่วยความจำ) มีช่วงของที่อยู่คงที่ - ในสถาปัตยกรรมสมัยใหม่มีแนวโน้มที่จะเป็นความผิดของหน้า [สำหรับหน่วยความจำที่ไม่ได้แมป] หรือการละเมิดการเข้าถึง [สำหรับการอ่านเขียนและดำเนินการเรื่องการอนุญาต] และฉันจะมุ่งเน้นไปที่คำตอบที่เหลือ)

ตอนนี้ ณ จุดนี้เคอร์เนลสามารถทำสิ่งต่าง ๆ ความผิดพลาดหน้ายังถูกสร้างขึ้นสำหรับหน่วยความจำที่ถูกต้อง แต่ไม่ได้โหลด (เช่นสลับออกหรือในไฟล์ mmapped ฯลฯ ) และในกรณีนี้เคอร์เนลจะแมปหน่วยความจำแล้วเริ่มโปรแกรมผู้ใช้ใหม่จากคำสั่งที่ทำให้ ความผิดพลาด มิฉะนั้นจะส่งสัญญาณ สิ่งนี้จะไม่ "ส่งตรง [เหตุการณ์ดั้งเดิม] ไปยังโปรแกรมที่ละเมิด" เนื่องจากกระบวนการสำหรับการติดตั้งตัวจัดการสัญญาณนั้นแตกต่างกันและส่วนใหญ่ไม่ขึ้นกับสถาปัตยกรรมหากเทียบกับโปรแกรมที่คาดว่าจะจำลองการติดตั้งตัวจัดการขัดจังหวะ

หากโปรแกรมผู้ใช้มีตัวจัดการสัญญาณติดตั้งอยู่นี่หมายถึงการสร้างกรอบสแต็กและตั้งค่าตำแหน่งการดำเนินการของโปรแกรมผู้ใช้เป็นตัวจัดการสัญญาณ เช่นเดียวกันสำหรับสัญญาณทั้งหมด แต่ในกรณีของการละเมิดการแบ่งกลุ่มจะถูกจัดเรียงโดยทั่วไปดังนั้นหากตัวจัดการสัญญาณส่งกลับจะเริ่มต้นคำสั่งที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาด โปรแกรมผู้ใช้อาจแก้ไขข้อผิดพลาดเช่นโดยการแมปหน่วยความจำไปยังที่อยู่ที่ละเมิด - มันขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมไม่ว่าจะเป็นไปได้) ตัวจัดการสัญญาณยังสามารถข้ามไปยังตำแหน่งอื่นในโปรแกรม (โดยทั่วไปผ่านทางlongjmpหรือโดยการโยนข้อยกเว้น) เพื่อยกเลิกการดำเนินการใด ๆ ที่ทำให้การเข้าถึงหน่วยความจำไม่ดี

หากโปรแกรมผู้ใช้ไม่ได้ติดตั้งตัวจัดการสัญญาณมันจะถูกยกเลิก ในบางสถาปัตยกรรมถ้าสัญญาณถูกละเว้นมันอาจรีสตาร์ทคำสั่งซ้ำแล้วซ้ำอีกทำให้เกิดลูปไม่สิ้นสุด

ความผิดพลาดของการแบ่งส่วนคือการเข้าถึงที่อยู่หน่วยความจำที่ไม่ได้รับอนุญาต (ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของกระบวนการหรือพยายามเขียนข้อมูลแบบอ่านอย่างเดียวหรือดำเนินการข้อมูลที่ไม่สามารถดำเนินการได้ ... ) สิ่งนี้ถูกจับได้โดย MMU (หน่วยจัดการหน่วยความจำซึ่งปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ CPU) ทำให้เกิดการขัดจังหวะ การขัดจังหวะถูกจัดการโดยเคอร์เนลซึ่งส่งSIGSEGFAULTสัญญาณ (ดูsignal(2)ตัวอย่าง) ไปยังกระบวนการที่กระทำผิด ตัวจัดการเริ่มต้นสำหรับสัญญาณนี้ทิ้งแกน (ดูcore(5)) และยุติกระบวนการ

เปลือกไม่มีอะไรในมือนี้