Linux 进程信号机制详解

方式三：设置自定义处理方式

实例代码如下：

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

void Handler(int signo){ 
    std::cout << "PID:" << getpid() << " Get a signal:" << signo << std::endl;
}

int main(){
    signal(SIGINT, Handler); // 对 2 号信号设置自定义处理动作
    while(true){ 
        std::cout << "PID:" << getpid() << " I am waiting a signal." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

对于信号默认处理动作，也可以使用信号处理器来实现：signal(SIGINT, SIG_DFL)。

4. 理解信号处理

对于信号的处理我们可以分别通过软件和硬件这两个视角来理解。

• 软件视角：当键盘将输入的 Ctrl+c 信息交给操作系统后，操作系统就会将信号发送给对应的进程，然后进程就会在合适的时候处理信号。进程处理信号不是立即处理，而是在合适的时机，因为当前进程可能在处理自己的事。

操作系统给进程发送信号就是将进程 PCB 中记录信号的位图对应位置的信号比特位由 0 置 1，然后进程在合适的时候发现自己收到了信号，执行对应处理动作。

5. 信号产生

在 Linux 系统中，信号是一种异步通知机制。以下是几种产生信号的常见方法：

1) 键盘输入

• Ctrl+C：发送 SIGINT 给前台进程。
• Ctrl+\：发送 SIGQUIT 给前台进程。
• Ctrl+Z：发送 SIGTSTP 给前台进程。

2) kill 命令

使用 kill 命令可以向指定的进程发送信号。例如：

kill -9 <pid> # 发送 SIGKILL 信号
kill -15 <pid> # 发送 SIGTERM 信号

3) kill 函数及系统调用

• kill() 函数：可以直接从程序内部发送信号给其他进程。

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

• raise 函数：用于向调用它的进程自身发送信号。

int raise(int sig);

• abort 函数：用于异常终止程序。

void abort(void);

4) 软件条件

• 当特定的软件条件发生时，比如子进程结束（SIGCHLD），文件描述符准备就绪（SIGIO），可能会触发信号的产生。
• 例如 alarm 定时器：用于设置一个定时器，可以在指定的时间后产生一个 SIGALRM 信号。

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

5) 硬件异常

硬件异常被硬件检测到并通知内核，然后内核向当前进程发送适当的信号。例如当前进程执行了除以 0 的指令，CPU 的运算单元会产生异常，内核将这个异常解释为 SIGFPE 信号发送给进程。再比如当前进程访问了非法内存地址，MMU 会产生异常，内核将这个异常解释为 SIGSEGV 信号发送给进程。

6. 信号保存

6.1 信号其他相关常见概念

• 信号递达 (Delivery)：实际执行信号的处理动作称为信号递达。
• 信号未决 (Pending)：信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决。
• 阻塞：进程可以选择阻塞 (Block) 某个信号。被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。

6.2 信号在内核中的表示

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞 (block) 和未决 (pending)，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，表示接收到信号，直到信号递达才清除该标志。

6.3 sigset_t

未决和阻塞标志可以用相同的数据类型 sigset_t 来存储，sigset_t 称为信号集，这个类型可以表示每个信号的'有效'或'无效'状态。

6.4 信号集操作函数

1) 初始化 sigset_t 信号集函数

int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);

2) 读取或更改未决信号集 (pending)

#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);

3) 读取或更改阻塞信号集函数 (block)

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);

参数 how 指示如何更改：

• SIG_BLOCK: 添加信号到屏蔽字。
• SIG_UNBLOCK: 从屏蔽字中移除信号。
• SIG_SETMASK: 设置当前屏蔽字。

7. 信号捕捉

如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。

7.1 信号捕捉流程

1. 用户程序注册了 SIGQUIT 信号的处理函数 sighandler。
2. 当前正在执行 main 函数，这时发生中断或异常切换到内核态。
3. 在中断处理完毕后要返回用户态的 main 函数之前检查到有信号 SIGQUIT 递达。
4. 内核决定返回用户态后不是恢复 main 函数的上下文继续执行，而是执行 sighandler 函数。
5. sighandler 函数返回后自动执行特殊的系统调用 sigreturn 再次进入内核态。
6. 如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复 main 函数的上下文继续执行了。

7.2 sigaction 函数

#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction* act, struct sigaction* oact);

• signo：指定要操作的信号编号。
• act：指向 sigaction 结构体的指针，根据 act 修改该信号的处理动作。
• oact：指向 sigaction 结构体的指针，通过 oact 传出该信号原来的处理动作。

sigaction 结构体：

struct sigaction{
    void (*sa_handler)(int);
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void*);
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};

代码示例如下：

#include <iostream>
#include <signal.h>

void handler(int signo){ 
    std::cout << "get a signal:" << signo << std::endl;
}

int main(){
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = handler;
    ::sigaction(2, &act, &oact);
    while(true){
        ::pause();
    }
    return 0;
}

相比于 signal 函数来说，sigaction 函数提供了对信号处理更精确的控制，更为安全和灵活。

8. 结语

我们从信号定义、分类、处理谈到信号产生、信号保存最后到信号捕捉，关键在于信号处理的理解、相关的信号处理函数、信号保存的三张表——pending 表、block 表和 handler 表以及信号捕捉的理解与运用。总之，Linux 进程信号是一种强大且灵活的进程间通信机制。通过合理地使用信号，可以实现进程间的异步通知、同步和通信等功能。