【Linux】信号机制详解：进程间通信的核心

摘要

信号（Signal）是Linux系统中最古老、最基础的进程间通信（IPC）机制之一。它为进程提供了一种异步通知机制，允许操作系统或其他进程向目标进程发送特定事件的通知。本文将深入探讨Linux信号机制的原理、分类、处理方式以及实际应用，帮助读者全面掌握这一核心技术。

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1. 信号机制概述

信号是Linux内核提供的一种软件中断机制，用于通知进程某个特定事件已经发生。与管道、消息队列等IPC机制不同，信号是异步的——进程无需等待信号到达，可以继续执行其他任务，当信号到达时才会被中断处理。

1.1 信号的本质

信号可以理解为进程级别的"中断"，它打断进程的正常执行流程，转而执行预定义的信号处理函数。处理完成后，进程可以选择恢复执行或终止。

1.2 信号的来源

信号可以来自多个来源：

• 硬件异常：如除零错误、非法内存访问（SIGSEGV）
• 用户操作：如按下Ctrl+C（SIGINT）、Ctrl+Z（SIGTSTP）
• 系统调用：如kill()、raise()、alarm()等
• 内核事件：如子进程终止（SIGCHLD）、管道破裂（SIGPIPE）

2. 信号的分类与常见信号

Linux系统定义了多达64种信号，可分为两大类：

2.1 标准信号（1-31号）

这些是传统UNIX信号，也称为不可靠信号。常见信号包括：

2.2 实时信号（34-64号）

实时信号是POSIX标准引入的可靠信号，支持排队、携带数据，且按发送顺序递送。信号范围为SIGRTMIN到SIGRTMAX。

3. 信号的生命周期

信号从产生到处理经历以下阶段：

3.1 信号的产生（Generation）

当事件发生时，内核为目标进程生成信号，并将该信号添加到进程的未决信号集（Pending Signal Set）中。

3.2 信号的递达（Delivery）

当进程从内核态返回用户态时，内核检查未决信号集。如果存在未被阻塞的信号，则执行相应的处理动作。

3.3 信号的阻塞（Blocking）

进程可以通过信号屏蔽字（Signal Mask）阻塞某些信号。被阻塞的信号会保持未决状态，直到解除阻塞。

注意：SIGKILL和SIGSTOP这两个信号无法被阻塞、忽略或捕获。

4. 信号处理方式

进程对信号的处理有三种方式：

4.1 执行默认动作

每个信号都有默认处理动作，主要包括：

• Term：终止进程
• Ign：忽略信号
• Core：终止进程并生成core dump文件
• Stop：停止进程
• Cont：继续执行已停止的进程

4.2 忽略信号

使用signal()或sigaction()将信号处理设置为SIG_IGN：

signal(SIGINT, SIG_IGN);  // 忽略Ctrl+C

4.3 捕获信号（自定义处理函数）

注册自定义信号处理函数：

void sig_handler(int signo) {
    printf("Received signal %d\n", signo);
}

signal(SIGINT, sig_handler);

5. 信号编程实践

5.1 使用signal()函数（简单方式）

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

void handler(int sig) {
    printf("捕获到信号 %d，但我不会退出！😎\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);  // 注册SIGINT处理函数
    
    printf("进程运行中，按Ctrl+C测试...\n");
    while(1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

5.2 使用sigaction()函数（推荐方式）

sigaction()是更可靠的信号处理接口，提供更多控制选项：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void handler(int sig, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("信号 %d 来自进程 %d\n", sig, info->si_pid);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, 0, sizeof(sa));
    
    sa.sa_sigaction = handler;
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;  // 使用sa_sigaction而非sa_handler
    sigemptyset(&sa.sa_mask);  // 清空信号屏蔽字
    
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
    
    printf("进程PID: %d，等待SIGUSR1信号...\n", getpid());
    while(1) pause();  // 挂起进程，等待信号
    
    return 0;
}

5.3 发送信号

#include <signal.h>
#include <sys/types.h>

// 向指定进程发送信号
kill(pid, SIGUSR1);

// 向自己发送信号
raise(SIGUSR1);

// 设置定时器信号
alarm(5);  // 5秒后发送SIGALRM

6. 可靠信号与不可靠信号

6.1 不可靠信号的问题

早期UNIX的标准信号（1-31）存在以下问题：

1. 信号丢失：相同信号多次到达时，只记录一次
2. 竞态条件：信号处理函数执行期间，可能再次收到同一信号
3. 信号处理函数重入：可能导致数据不一致

6.2 可靠信号的优势

实时信号（SIGRTMIN-SIGRTMAX）解决了这些问题：

• 支持排队：多个相同信号不会丢失
• 携带数据：可通过sigqueue()传递额外信息
• 有序递送：按照发送顺序处理

union sigval value;
value.sival_int = 100;
sigqueue(pid, SIGRTMIN, value);  // 发送实时信号并携带数据

7. 信号在实际开发中的应用

7.1 优雅退出

捕获SIGTERM信号实现资源清理：

volatile sig_atomic_t keep_running = 1;

void sig_handler(int sig) {
    keep_running = 0;  // 设置退出标志
}

int main() {
    signal(SIGTERM, sig_handler);
    
    while(keep_running) {
        // 业务逻辑
    }
    
    // 清理资源
    printf("正在清理资源...\n");
    return 0;
}

7.2 子进程管理

处理SIGCHLD信号回收子进程，避免僵尸进程：

void sigchld_handler(int sig) {
    while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);  // 非阻塞回收
}

signal(SIGCHLD, sigchld_handler);

7.3 定时任务

使用SIGALRM实现定时功能：

void alarm_handler(int sig) {
    printf("定时器触发！⏰\n");
    alarm(10);  // 重新设置10秒定时器
}

signal(SIGALRM, alarm_handler);
alarm(10);  // 首次设置

总结

信号机制是Linux进程间通信的重要组成部分，虽然它传递的信息量有限，但其异步特性使其在系统编程中不可或缺。掌握信号机制需要理解以下要点：

✅ 信号的本质：软件层面的异步通知机制 ✅ 信号分类：标准信号与实时信号的区别 ✅ 处理方式：默认、忽略、捕获三种模式 ✅ 可靠性问题：使用sigaction()代替signal() ✅ 实际应用：优雅退出、子进程管理、定时任务等场景

在实际开发中，应优先使用sigaction()函数和实时信号，避免不可靠信号带来的竞态条件和信号丢失问题。同时，信号处理函数应保持简洁，避免调用非异步信号安全的函数。

相关链接

1. Linux Signal手册页（man 7 signal）
2. POSIX信号处理规范
3. Linux进程间通信（IPC）机制详解
4. 信号安全函数列表（async-signal-safe）
5. Linux系统编程实战教程