Linux 信号机制：产生方式、处理流程与系统调用

前台进程：其执行过程会受到用户操作的直接影响，比如用户可以通过键盘输入来中断或暂停进程。如果终端关闭，前台进程通常会被终止，除非进行了特殊的设置。 后台进程：通常是长时间运行的，不受终端关闭的影响，除非明确地对其进行停止或重启操作。它按照自身的逻辑和任务需求在后台持续运行，不会因为用户的一些常规操作而中断。

Ctrl+C 本质会解释为 2 号信号，后面我们会验证。

2.2 键盘组合键

这是我们在学习 Linux 过程中，比较常用的一种向进程发送信号的方式，它通过一些特定的键盘组合键，来发送一些特殊的信号，如 Ctrl+C 终止进程。组合有很多种，都比较简单，这里我们想要介绍的是，Ctrl+C 这类组合键是如何被转换为信号，又是如何被进程接收的？

我们可以确定的观点是，CPU 不能直接从键盘读取数据（冯诺依曼体系结构），那么这个工作只能交由操作系统来完成。操作系统又是如何得知键盘有数据了呢？

CPU 上有很多针脚，每个针脚对应一个硬件设备（键盘、网卡）。当用户按下 Ctrl+C 组合键时，键盘发生硬件中断，产生中断号，通过对于针脚发送中断信号给 CPU，通知 CPU 进行相关处理。操作系统从 CPU 读取到中断号，通过中断号在自己的中断向量表中索引到对应方法地址，执行该方法（读取键盘）。操作系统识别如果是数据直接读取，如果是组合键就将他解释成对应信号，如 Ctrl+C 解释为 2 号信号，并将它读入键盘缓冲区（一切皆文件），再拷贝至用户缓冲区，被进程接收，进程执行对应处理方法。我们的信号处理方式（异步通知、事件驱动等）就是模拟的硬件中断，因此信号又被叫做软件中断。

2.3 kill 命令

对于上面的后台进程，我们可以通过 kill 指令的形式，给它发送信号，终止它。可以通过 kill -l 查看信号种类：

0~31 为普通信号，34~64 为实时信号（我们不研究），这里有多种信号都能达到终止后台进程的要求，如：2 号终止进程，9 号杀掉进程。

使用格式： kill -信号编号 进程 PID.

常用信号

2.4 系统调用

2.4.1 signal() 接口

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

功能： 捕捉指定信号，执行自定义功能

参数

1. signum: 要捕捉信号编号
2. handler: 函数指针，用来自定义的方法

下面的程序我们使用 signal 函数捕捉二号信号，执行我们自定义的方法。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;

void handler(int num) {
    cout << "I captured Signal No." << num << endl;
    return;
}

int main() {
    sighandler_t _handler = signal(2, handler);
    while (true) {
        cout << "I'm a crazy process, PID:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

可以看到此时我们再使用 Ctrl+C，信号程序就不会终止，而是执行我们的自定义方法。上面的场景也完美的呈现了，信号的异步性（程序先调用 signal，但是此时进程没有收到信号，所以这个函数不会执行，当进程接收到信号后，就会执行对应方法）。

需要注意的是，并不是所有信号，都可以被捕捉的，我们可以通过下面的方式来验证：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;

void handler(int num) {
    cout << "I captured Signal No." << num << endl;
    return;
}

int main() {
    for (int i = 0; i <= 64; i++)
        sighandler_t _handler = signal(i, handler);
    while (true) {
        cout << "I'm a crazy process, PID:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

执行这个进程时，通过 kill 指令向进程发信号，这里不方便演示，大家可以自己尝试（9 号和 19 号好像不能被捕捉）。

2.4.2 kill() 接口

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

功能： 向指定进程发送信号

参数

1. pid: 接收信号的进程 PID
2. sig: 信号编号

返回值 执行成功返回零，失败返回 -1 并设置 errno。

示例：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 3) {
        cout << "Usage:\n\t" << argv[0] << " signum pid\n\n";
        exit(1);
    }
    int signum = stoi(argv[1]);
    int pid = stoi(argv[2]);
    int n = kill(pid, signum);
    if (n == -1) {
        perror("kill");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

现在我们就可以使用上面这个进程，来对其他进程发送信号了。

当然你可以让你的进程直接使用 kill 自己给自己发信号。

2.4.3 raise() 接口

#include <signal.h>
int raise(int sig);

功能： 让当前进程给自己发送信号

参数

• sig: 信号编号

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;

void handler(int num) {
    cout << "I captured Signal No." << num << endl;
    return;
}

int main() {
    sighandler_t _handler = signal(2, handler);
    int cnt = 5;
    while (true) {
        cout << "I'm a crazy process, PID:" << getpid() << endl;
        cnt--;
        if (cnt == 0) break;
        sleep(1);
    }
    raise(9);
    cout << "111111" << endl;
    return 0;
}

循环执行五次后跳出，执行 raise() 完成'自杀'，程序终止，我们可以感受到 raise() 其实就是封装的 kill()。

2.4.4 abort() 接口

#include <stdlib.h>
void abort(void);

功能： 向当前进程发送 SIGABRT（6 号）信号，默认情况下，进程收到该信号后会立即终止，即使被用户捕获，在执行过用户提供的方法后依然终止进程。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using namespace std;

void handler(int num) {
    cout << "I captured Signal No." << num << endl;
    return;
}

int main() {
    sighandler_t _handler = signal(6, handler);
    while (true) {
        cout << "I'm a crazy process, PID:" << getpid() << endl;
        abort();
    }
    return 0;
}

如果不调用该函数，使用指令发送六号信号，当信号被捕获后，进程不会终止，abort 函数内部做了特殊处理，才会使进程终止，你可以测试看看。

总结

特点： 异步传递（随时可能中断进程）

• SIGINT（2）：由键盘输入 Ctrl+C 产生，用于中断正在运行的进程。
• SIGKILL（9）：强制终止进程，不能被捕获和忽略，用于紧急情况下终止进程。
• SIGSTOP（19）：暂停进程，不能被捕获和忽略，可使用 SIGCONT 信号恢复进程运行

不可捕获的信号： SIGKILL（9）和 SIGSTOP（19）无法被捕获、阻塞或忽略，用于强制控制进程。

信号发送函数

• kill 函数：可以向指定进程发送指定信号，例如 kill(pid, SIGINT) 向进程号为 pid 的进程发送 SIGINT 信号。
• raise 函数：用于向当前进程发送信号，如 raise(SIGABRT) 向当前进程发送 SIGABRT 信号。

处理方式：

• 默认处理：系统为每个信号定义了默认的处理行为，如终止进程、产生核心转储、忽略信号等。
• 捕获信号：进程可以通过 signal 函数当接收到指定信号时，执行自定义的处理逻辑。
• 忽略信号：进程可以使用 signal 函数将信号设置为忽略，使进程不响应该信号，但有些信号（如 SIGKILL 和 SIGSTOP）不能被忽略。