信號是 Linux 操作系統(tǒng)中非常重要的進(jìn)程控制機(jī)制，用來異步通知進(jìn)程發(fā)生某種事件。理解信號的產(chǎn)生、阻塞、遞達(dá)、捕捉等概念，可以幫助開發(fā)者更好地編寫健壯的應(yīng)用程序，避免由于未處理的信號導(dǎo)致程序異常退出。本文將帶你從基礎(chǔ)概念開始，深入探討信號處理的常見方式。

1. 信號的基本概念

在 Linux 系統(tǒng)中，信號是一種軟中斷機(jī)制，主要用于進(jìn)程之間的異步通信。信號的產(chǎn)生和遞達(dá)并不會(huì)按照進(jìn)程的執(zhí)行順序發(fā)生，而是通過操作系統(tǒng)將某種事件（如用戶輸入、硬件異常等）通知進(jìn)程。每個(gè)信號都有唯一的編號和宏定義名稱。例如，SIGINT（編號2）是一個(gè)常見的信號，通常由按下 Ctrl+C 產(chǎn)生。

信號的產(chǎn)生的四種方式：

1. 終端輸入產(chǎn)生信號：例如，當(dāng)用戶在終端中按下 Ctrl+C 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送 SIGINT 信號給當(dāng)前前臺(tái)進(jìn)程，進(jìn)而終止進(jìn)程。
2. 系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生信號：開發(fā)者可以通過調(diào)用 kill 函數(shù)向指定進(jìn)程發(fā)送信號，例如 kill -SIGKILL <PID>。
3. 軟件條件產(chǎn)生信號：某些軟件事件會(huì)自動(dòng)觸發(fā)信號。例如，SIGPIPE 信號在管道破裂時(shí)觸發(fā)。
4. 硬件異常產(chǎn)生信號：例如，執(zhí)行非法內(nèi)存訪問會(huì)觸發(fā) SIGSEGV 信號。

信號處理一般有三種方式：

• 忽略信號：進(jìn)程忽略該信號。
• 執(zhí)行默認(rèn)動(dòng)作：進(jìn)程按照信號的默認(rèn)處理方式處理，例如 SIGKILL 會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程直接退出。
• 捕捉信號：進(jìn)程通過自定義函數(shù)捕捉信號并進(jìn)行處理。

2. 信號的自定義捕捉

Linux 提供了 signal 和 sigaction 系統(tǒng)調(diào)用，允許開發(fā)者自定義信號的處理函數(shù)，即捕捉信號。

a. 自定義捕捉終端產(chǎn)生的 SIGINT 2號信號：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>void handler(int sig) {printf("Received signal: %d\n", sig);
}int main() {signal(SIGINT, handler); // 捕捉SIGINT信號while (1) {printf("Waiting for signal...\n");sleep(1);}return 0;
}

程序解釋

handler 函數(shù)捕捉到 SIGINT 信號并打印信號編號。當(dāng)用戶在終端中按下 Ctrl+C，進(jìn)程不會(huì)立即終止，而是調(diào)用自定義的 handler 函數(shù)。

b. 自定義捕捉由軟件條件產(chǎn)生的 SIGALRM 信號

SIGALRM 信號通常由 alarm() 函數(shù)產(chǎn)生，用于在設(shè)定的時(shí)間后通知進(jìn)程。

alarm() 函數(shù)與 SIGALRM 信號
alarm() 函數(shù)的作用是設(shè)置一個(gè)鬧鐘，指定經(jīng)過若干秒后系統(tǒng)向進(jìn)程發(fā)送 SIGALRM 信號。此信號的默認(rèn)處理行為是終止進(jìn)程，但我們可以通過自定義信號處理函數(shù)來捕捉并處理 SIGALRM 信號。
alarm() 函數(shù)的定義如下：

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

• 參數(shù) seconds：指定在多少秒后發(fā)送 SIGALRM 信號。如果參數(shù)為 0，則取消先前設(shè)置的鬧鐘。
• 返回值：返回先前設(shè)置的鬧鐘還剩余的時(shí)間。如果沒有設(shè)置過鬧鐘，返回值為 0。例如，設(shè)定鬧鐘為 30 秒，鬧鐘執(zhí)行了 20 秒后取消并重設(shè)為 15 秒，之前的鬧鐘還剩下 10 秒，這個(gè)時(shí)間會(huì)作為 alarm() 函數(shù)的返回值。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 自定義的SIGALRM信號處理函數(shù)
void handle_alarm(int sig) {printf("Alarm signal received: %d. Time's up!\n", sig);
}int main() {// 注冊SIGALRM信號的處理函數(shù)signal(SIGALRM, handle_alarm);// 設(shè)置鬧鐘為1秒alarm(1);// 計(jì)數(shù)器，在鬧鐘響起之前一直計(jì)數(shù)int count = 0;while (1) {printf("Counting: %d\n", count++);sleep(1); // 每秒計(jì)數(shù)一次}return 0;
}

程序解釋

1. 信號處理函數(shù) handle_alarm：
   當(dāng) SIGALRM 信號產(chǎn)生時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)用此函數(shù)。此函數(shù)接收信號編號作為參數(shù)，并打印出提示信息。

2. 設(shè)置鬧鐘：
   程序通過調(diào)用 alarm(1) 設(shè)置了一個(gè) 1 秒的鬧鐘。即 1 秒后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送 SIGALRM 信號，觸發(fā)信號處理函數(shù) handle_alarm。

3. 計(jì)數(shù)器：
   程序進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)，每秒鐘打印一次計(jì)數(shù)。在 1 秒內(nèi)，計(jì)數(shù)器會(huì)輸出幾次，直到接收到 SIGALRM 信號并終止循環(huán)。

運(yùn)行該程序時(shí)，輸出：

Counting: 0
Alarm signal received: 14. Time's up!

程序開始計(jì)數(shù)，并且在 1 秒后接收到 SIGALRM 信號，調(diào)用信號處理函數(shù)，輸出“Alarm signal received”信息，隨后程序被信號終止。

拓展

1. 重新設(shè)置鬧鐘：如果在 SIGALRM 之前再次調(diào)用 alarm()，會(huì)取消之前的鬧鐘并重新設(shè)置。例如，假如 alarm(5) 在 alarm(1) 之后被調(diào)用，系統(tǒng)將在 5 秒而非 1 秒后發(fā)送 SIGALRM 信號。

2. 取消鬧鐘：alarm(0) 可以取消先前設(shè)置的鬧鐘，程序?qū)⒉粫?huì)再收到 SIGALRM 信號。

3. 信號阻塞與未決信號

信號的三種狀態(tài)：阻塞、未決和遞達(dá)

阻塞（Block）：

阻塞是指進(jìn)程可以暫時(shí)不處理某些信號。當(dāng)信號被阻塞時(shí)，即使信號產(chǎn)生了，也不會(huì)立即處理。信號會(huì)保持在阻塞狀態(tài)，直到解除阻塞。

未決（Pending）：

未決是指信號已經(jīng)產(chǎn)生，但由于被阻塞，無法遞達(dá)。信號會(huì)處于未決狀態(tài)，等待解除阻塞。當(dāng)信號解除阻塞后，未決信號會(huì)遞達(dá)給進(jìn)程。

遞達(dá)（Delivery）：

遞達(dá)是指信號從產(chǎn)生到被進(jìn)程處理的過程。當(dāng)信號未被阻塞或解除阻塞后，信號會(huì)遞達(dá)給進(jìn)程，觸發(fā)默認(rèn)處理動(dòng)作或自定義的信號處理函數(shù)。

進(jìn)程可以選擇阻塞（Block）某個(gè)信號。被阻塞的信號在產(chǎn)生時(shí)會(huì)處于未決狀態(tài)，直到進(jìn)程解除對該信號的阻塞后，才會(huì)執(zhí)行相關(guān)的處理動(dòng)作。
注意：阻塞和忽略是不同的概念。阻塞信號意味著信號不會(huì)被遞達(dá)，直到解除阻塞。而忽略則是在信號遞達(dá)后選擇不進(jìn)行處理的一種方式。

C語言中的信號相關(guān)函數(shù)

sigset_t 是一個(gè)用于表示信號集的數(shù)據(jù)類型，每個(gè)信號用一個(gè)位來表示它的狀態(tài)。這個(gè)類型可以用來存儲(chǔ)和操作進(jìn)程的信號屏蔽字（阻塞信號集），以及未決信號集。

1. sigemptyset(sigset_t *set): 初始化一個(gè)信號集，將其中的所有信號位清零，即該信號集不包含任何信號。

2. sigfillset(sigset_t *set): 初始化一個(gè)信號集，將其中的所有信號位設(shè)置為1，即該信號集包含所有信號。

3. sigaddset(sigset_t *set, int signo): 在信號集中添加一個(gè)信號，使其對應(yīng)的位被設(shè)置為1。signo 是要添加的信號的編號。

4. sigdelset(sigset_t *set, int signo): 從信號集中刪除一個(gè)信號，使其對應(yīng)的位被設(shè)置為0。signo 是要?jiǎng)h除的信號的編號。

5. sigismember(const sigset_t *set, int signo): 檢查信號集中的某個(gè)信號是否被設(shè)置為1。返回值為非零表示信號被設(shè)置（即有效），為0表示信號未被設(shè)置（即無效）。

6. sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset): 讀取或更改進(jìn)程的信號屏蔽字（阻塞信號集）。

7. sigpending(sigset_t *set): 讀取當(dāng)前進(jìn)程的未決信號集。

使用 sigprocmask添加block阻塞集

在某些場景下，進(jìn)程可能不希望立即處理某個(gè)信號，這時(shí)可以選擇阻塞該信號。當(dāng)信號被阻塞時(shí)，信號會(huì)進(jìn)入未決狀態(tài)，直到解除阻塞后才會(huì)遞達(dá)。可以使用 sigprocmask 函數(shù)來設(shè)置信號的阻塞狀態(tài)。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>int main() {sigset_t set;sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGINT);  // 阻塞SIGINT信號sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);printf("SIGINT is blocked, press Ctrl+C...\n");sleep(10); // 期間按下Ctrl+C不會(huì)終止程序return 0;
}

SIGINT 信號被阻塞，按下 Ctrl+C 時(shí)，進(jìn)程不會(huì)立刻退出，而是被阻塞，不能被遞達(dá)，需要等到信號被解除阻塞后才能處理信號。

如果將所有信號都使用sigprocmask函數(shù)添加到block阻塞位圖當(dāng)中，是不是就能產(chǎn)生一個(gè)無法被退出的無敵進(jìn)程？
答：SIGKILL (9號信號)和 SIGSTOP(19號信號)是特殊的，無法被阻塞、忽略或捕獲。我們依然可以通過這些信號殺死進(jìn)程，所以這樣操作并不能使進(jìn)程成為“無敵”的進(jìn)程。(操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者早就想到了~~)

4. 常見信號的遞達(dá)過程和處理方式

信號的遞達(dá)過程

1. 信號抵達(dá)的檢查: 當(dāng)系統(tǒng)從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時(shí)，會(huì)首先檢查當(dāng)前進(jìn)程的未決信號（pending signals）。這時(shí)，系統(tǒng)處于內(nèi)核態(tài)，有權(quán)限檢查進(jìn)程的信號狀態(tài)。

2. 處理未決信號:

   • 如果發(fā)現(xiàn)有未決信號，并且該信號沒有被阻塞，系統(tǒng)會(huì)決定如何處理這些信號。
   • 對于默認(rèn)處理動(dòng)作或忽略的信號，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行默認(rèn)動(dòng)作或忽略信號，然后清除對應(yīng)的未決標(biāo)志位。
     

3. 指定信號動(dòng)作:

   • 如果信號的處理動(dòng)作是用戶自定義的，系統(tǒng)會(huì)返回用戶態(tài)，執(zhí)行用戶定義的處理函數(shù)。執(zhí)行完自定義處理函數(shù)后，用戶態(tài)的處理程序會(huì)通過 sigreturn 系統(tǒng)調(diào)用返回內(nèi)核態(tài)，清除對應(yīng)的未決標(biāo)志位。如果沒有新的信號要處理，系統(tǒng)會(huì)直接返回用戶態(tài)，從主控制流程中上次被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。
     
     

4. 為什么執(zhí)行自定義函數(shù)是需要由內(nèi)核態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)：

   • 盡管內(nèi)核態(tài)具有高權(quán)限，但操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不允許直接在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行用戶代碼。原因是用戶代碼可能包含非法操作，如清空數(shù)據(jù)庫等，這在用戶態(tài)時(shí)權(quán)限不足，但在內(nèi)核態(tài)時(shí)可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。
   • 操作系統(tǒng)必須確保用戶代碼的合法性，以防止安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，操作系統(tǒng)會(huì)嚴(yán)格控制用戶代碼的執(zhí)行，確保系統(tǒng)安全和穩(wěn)定。

信號的處理方式

信號編號	宏定義名稱	默認(rèn)動(dòng)作	說明
1	SIGHUP	終止進(jìn)程	終端掛起時(shí)發(fā)送此信號
2	SIGINT	終止進(jìn)程	用戶按下 Ctrl+C
9	SIGKILL	終止進(jìn)程（不可捕捉）	直接終止進(jìn)程
11	SIGSEGV	終止進(jìn)程并生成 core	段錯(cuò)誤，非法內(nèi)存訪問
15	SIGTERM	終止進(jìn)程	請求進(jìn)程終止

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