信号

信号

信号介绍

信号的概念

信号是信息的载体，Linux/Unix 环境下，古老、经典的通信方式，现下依然是主要的通信手段。

  • 信号在我们的生活中随处可见，例如：
    • 古代战争中摔杯为号
    • 现代战争中的信号弹
    • 体育比赛中使用的信号强……
  • 信号的特点
    • 简单
    • 不能携带大量信息
    • 满足某个特定条件参会产生

信号的机制

进程 A 给进程 B 发送信号，进程 B 收到信号之前执行自己的代码，收到信号后不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕后再继续执行。与硬件中断类似 —— 异步模式。但信号是软件层面上实现的终端，早期常被称为“软中断”。

每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的。

进程 A 给进程 B 发送信号示意图

信号的状态

信号由三种状态：产生、未决和递达

  • 信号的产生
    • 按键产生，如：Ctrl + c、Ctrl + z、Ctrl + \
    • 系统调用产生，如：kill、raise、abort
    • 软件条件山城，如：定时器 alarm
    • 硬件异常产生，如：非法访问内存 (错误段)、除 0 (浮点数例外)、内存对齐出错 (总线错误)
    • 命令产生，如：kill 命令
  • 未决： 产生和递达之间的状态。主要由于阻塞 (屏蔽) 导致该状态
  • 递达：递送并且达到进程

信号处理方式

  • 执行默认动作
  • 忽略信号 (丢弃不处理)
  • 捕捉信号 (调用用户的自定义的处理函数)

信号的特质

信号的实现手段导致信号有很强的延时性，但对于用户来说，时间非常短，不易察觉。

Linux 内核的进程控制块 PCB 是一个结构体，task_struct，除了包含进程 id，状态，工作目录，用户 id，组 id，文件描述符表，还包含了信号相关的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。

阻塞信号集和未决信号集

  • 阻塞信号集中保存的都是被当前进程阻塞的信号。若当前进程收到的是阻塞信号集中的某些信号，这些信号需要暂时被阻塞，不予处理。
  • 信号产生后由于某些原因 (主要是阻塞) 不能抵达，这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除之前，信号一直处于未决状态；若是信号从阻塞信号集中解除阻塞，则该信号会被处理，并从未决信号集中去除。

信号的四要素

  • 通过 man 7 signal 可以查看相关信号信息
    • 1 信号的编号
      • 使用 kill -l 命令可以查看当前系统有哪些信号，不存在编号为 0 的信号。其中 1-31 号信号称之为常规信号 (也叫普通信号或标准信号)，34-64 称之为实时信号，驱动变成与硬件相关。
    • 信号的名称
    • 产生信号的事件
    • 信号的默认处理动作：
      • Term：终止进程
      • Ign：忽略信号 (默认即使对该种信号忽略操作)
      • Core：终止进程，生成 Core 文件。(查验死亡原因，用于 gdb 调试)
      • Stop：停止 (暂停) 进程
      • Cont：继续运行进程
  • 特别需要注意的是：The signals SIGKILL and SIGSTOP connot be caught, blocked, or ignored.
  • 几个常用到的信号：
    SIGINT、SIGQUIT、SIGKILL、SIGSEGV、SIGUSR1、SIGUSR2、SIGPIPE、SIGALRM、SIGTERM、SIGCHLD、SIGSTOP、SIGCONT

信号相关函数

signal 函数

  • 函数作用：注册新号捕捉函数
  • 函数原型：
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    typedef void (*sighandler_t)(int);
    sighandler_t signal(int signul, sighandler_t handler);
  • 函数参数：
    • signum：信号编号
    • handler：信号处理函数

kill 函数/命令

  • 描述：给指定进程发送指定信号
  • kill 命令：kill -SIGKILL 进程 PID
  • kill 函数原型：int kill(pid_t pid, int sig);
  • 函数返回值：
    • 成功：0
    • 失败：-1，设置 errno
  • 函数参数：
    • sig 信号参数：不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
    • pid 参数：
      • pid > 0：发送信号给指定进程
      • pid = 0：发送信号给与调用 kill 函数进程属于同一组的所有进程
      • pid < -1：取 pid 发给对应进程组
      • pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程

进程组：每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程集合，他们互相关联，共同完成一个实体任务，每个进程组都有一个进程组长，默认进程组 ID 与组长 ID 相同。

abort 函数/ raise 函数

raise 函数

  • 函数描述：给当前进程发送指定信号 (自己给自己发)
  • 函数原型：int raise(int sig);
  • 函数返回值：成功：0，失败非 0 值
  • 函数拓展：raise(signo) == kill(getpid(), signo);

abort 函数

  • 函数描述：给自己发送异常终止信号 (SIGABRT)，并产生 core 文件
  • 函数原型：void abort();
  • 函数拓展：abort() == kill(getpid(), SIGABRT);

alarm 函数

  • 函数描述：设置定时器 (闹钟)。在指定 seconds 后，内核会给当前进程发送 SIGALRM 信号。进程收到该信号，默认动作终止。每个进程都有且只有唯一一个定时器。
  • 函数原型：unsigned int alarm(unsigned int seconds);
  • 函数返回值：返回 0 或剩余的秒数，无失败。例如：
  • 常用操作：取消定时去 alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。
    alarm 使用的是自然定时器，与进程状态无关，就绪、运行、挂起 (阻塞、暂停)、终止、僵尸…无论进程处于何种状态，alarm 都计时。

setitimer 函数

  • 函数原型：int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
  • 函数描述：设置定时器去 (闹钟)，可替代 alarm 函数，精度微秒 us，可以实现周期定时
  • 函数返回值：
    • 成功：0
    • 失败：-1，设置 errno
  • 函数参数：
    • which：指定定时方式
      • 自然定时：ITIMER_REAL -> SIGALRM 计算自然时间
      • 虚拟空间计时 (用户空间)：ITIMER_VIRTUAL -> SIGVTALRM 只计算进程占用 cpu 时间
      • 运行时即使 (用户 + 内核)：ITIMER_PROF -> SIGPROF 计算占用 cpu 及执行系统调用时间
    • new_value：struct itimerval，负责设定 timeout 时间
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      struct itimerval {
          struct timerval it_interval; // 闹钟触发周期
          struct timerval it_value;   // 闹钟触发时间
      };
      struct timerval {
          long tv_sec;    // 秒
          long tv_usec;   // 微秒
      };
    • old_value：存放旧的 timeout 值，一般指定为 NULL

信号集相关

未决信号集和阻塞信号集得关系

阻塞信号集是当前进程要阻塞的信号的集合，未决信号集是当前进程中还处于未决状态的信号的集合，这两个集合存储在内核的 PCB 中。

  • 下面以 SIGINT 为例说明未决信号集和阻塞信号集的关系：
    当进程收到一个 SIGINT (信号编号为2) 信号，首先这个信号灰保存在未决信号集合中，此时对应的 2 号编号的这个位置上置为 1，表示处于未决状态；在这个信号需要被处理之前首先要在阻塞信号集中的编号为 2 的位置上去检查该值是否为 1：
    • 如果为 1，表示 SIGINT 信号被当前进程阻塞了，这个信号暂时不被处理，所以未决信号集上该位置上的值保持为 1，表示该信号处于未决状态；
    • 如果为 0，表示 SIGINT 信号没有被当前进程阻塞，这个信号需要被处理，内核会对 SIGINT 信号进程处理 (执行默认动作，忽略或者执行用户自定义的信号处理函数)，并将未决信号集中编号为 2 的位置上将 1 变为 0，表示该信号已经处理了，这个时间非常短暂，用户感知不到。

当 SIGINT 信号从阻塞信号集中接触阻塞之后，该信号就会被处理。

信号集相关函数

由于信号集属于内核的一块区域，用户不能直接操作内核空间，为此，内核提供了一些信号集相关的接口函数，使用这些函数用户就可以完成对于信号集的相关操作。

信号集是一个能表示多个信号的数据类型，sigset_t set，set 即一个信号集。既然是一个集合，就需要对集合进行添加、删除等操作。

sigset_t 类型的定义：

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typedef __sigset_t sigset_t;

#define _SIGSET_NWORDS (1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))

typedef struct
{
  unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];
} __sigset_t;

信号集相关函数

  • int sigemptyset(sigset_t *set);
    函数说明：将某个信号清 0
    函数返回值：成功：0，失败：-1，设置 errno
  • int sigfillset(sigset_t *set);
    函数说明：将某个信号集置 1
    函数返回值：成功：0，失败：-1，设置 errno
  • int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
    函数说明：将某个信号加入信号集中
    函数返回值：成功：0，失败：-1，设置 errno
  • int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
    函数说明：将某个信号从信号集中清除
    函数返回值：成功：0，失败：-1，设置 errno
  • int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
    函数说明：判断某个信号是否在信号集中
    函数返回值：在：1；不在：0；出错：-1，设置 errno
  • sigprocmask 函数
    • 函数说明：用来屏蔽信号、接触屏蔽也是用该函数。其本质，读取或修改进程控制块中的信号屏蔽字 (阻塞信号集)。
      特别注意，屏蔽信号只是将信号处理延后执行(延至解除屏蔽)；而忽略表示将信号丢弃处理。
    • 函数原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
    • 函数返回值：成功：0；失败：-1，设置 errno
    • 函数参数：
      • how 参数取值：假设当前的信号屏蔽字为 mask
        • SIG_BLOCK：当 how 这只为此，set 表示需要屏蔽的信号。相当于 mask = mask | let
        • SIG_UNBLOCK：当 how 设置为此，set 表示需要解除屏蔽的信号。相当于 mask = mask & ~set;
        • SIG_SETMASK：当 how 设置为此，set 表示用于替代原始屏蔽集的额新屏蔽集。相当于 mask = set 若，调用 sigprocmask 解除了对当前若干个信号的阻塞，则在 sigprocmask 返回前，至少将其中一个信号递达。
      • set：传入参数，是一个自定义信号集合。由参数 how 来指示如何修改当前信号屏蔽字。
      • oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽字。
  • sigpending 函数
    • 函数原型：int sigpending(sigset_t *set);
    • 函数说明：读取当前进程的未决信号集
    • 函数参数：set 传出参数
    • 函数返回值：成功：0；失败：-1，设置 errno

信号捕捉函数

  • signal 函数
  • sigaction 函数
    • 函数说明：注册一个信号处理函数
    • 函数原型：int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction* oldact);
    • 函数参数：
      • signum：捕捉信号
      • act：传入参数，新的处理方式
      • oldact：传出参数，旧的处理方式
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      struct sigaction {
        void (*sa_handler)(int);  // 信号处理函数
        void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 信号处理函数
        sigset_t sa_mask; // 信号处理函数执行期间需要阻塞的信号
        int sa_flags; // 通常为 0，表示使用默认表示
        void (*sa_restore)(void);
      };
    • 总结：
      • sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名 (既注册函数)。也可复制为 SIG_IGN 表忽略或 SIG_DFL 表执行默认动作。
      • sa_mask：用来指定在信号处理函数执行期间需要被屏蔽的信号，特别是当某个信号被处理时，它自身会被自动放入进程的信号掩码，因此在信号处理函数执行期间这个信号不会再度发生。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽生效，是临时性设置。
      • sa_flags：通常设置为 0，使用默认属性。
      • sa_restore：已不再使用
    • 知识点：
      • 在 XXX 信号处理函数执行期间，XXX 信号是被阻塞的，如果该信号产生了多次，在 XXX 信号处理函数结束之后，该 XXX 信号只被处理一次。
      • 在 XXX 信号处理函数执行期间，如果阻塞了 YYY 信号，若 YYY 信号产生了多次，当 XXX 信号处理函数结束后，YYY 信号只会被处理一次。
    • 内核实现信号捕捉过程
      如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时旧调用这个函数，这称为捕捉信号，由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，距离如下：
      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. 在终端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，sighandler 和 main 函数使用不同的堆栈空间，他们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程，
      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。

SIGCHLD 信号

产生 SIGCHLD 信号的条件

  • 子进程结束的时候
  • 子进程收到 SIGSTOP 信号
  • 当子进程停止时，收到 SIGCONT 信号

SIGCHLD 信号的作用

子进程推出后，内核会给它的父进程发送 SIGCHLD 信号，父进程收到这个信号后可以对子进程进行回收

使用 SIGCHLD 信号完成对子进程的回收可以避免父进程阻塞等待而不能执行其他操作，只有当父进程收到 SIGCHLD 信号之后采取调用信号捕捉函数完成对子进程的回收，未收到 SIGCHLD 信号之前可以处理其他操作。

使用 SIGCHLD 信号完成对子进程的回收

注意点：

  • 有可能未完成信号处理函数的注册，子进程都退出了
    • 解决办法：可以在 fork 之前先将 SIGCHLD 信号阻塞，当完成信号处理函数的注册而后再解除阻塞
  • 当 SIGCHLD 信号函数处理期间，SIGCHLD 信号若再次产生是被阻塞的，而且若产生了多次，则该信号只会被处理一次，这样可能会产生僵尸进程。
    • 解决办法：可以在信号处理函数里面使用 while(1) 循环回收，这样就有可能出现不过一次 SIGCHLD 信号但是回收了多个子进程的情况，从而避免僵尸进程的产生。
技术
#Linux #C/C++
信号
https://irisislove.github.io/2025/03/27/signals/
作者
Iris
发布于
2025年3月27日
许可协议