【Linux】进程信号

本文主题内容

• 理解 Linux 信号的概念与处理方式
• 掌握信号产生的常见方式
• 理解信号产生、保存和递达
• 掌握信号集与信号屏蔽字的操作
• 使用sigaction捕捉信号
• 理解信号处理函数的执行流程
• 理解中断、异常、系统调用与信号的关系
• 认识可重入函数、volatile与异步信号安全
• 使用SIGCHLD回收子进程

引言：按下Ctrl+C为什么能终止前台进程？除零和野指针为什么最终表现为进程收到信号？阻塞信号与忽略信号有什么区别？信号处理函数为什么不能随便调用printf、malloc？这些问题的背后，是操作系统对异步事件的统一管理。本文从信号的使用开始，逐步分析内核中的保存方式、捕捉流程和并发安全问题。

一、信号的基本概念

1.1 什么是信号

信号是进程之间进行异步事件通知的一种方式，也可以看作操作系统提供给进程的软件中断机制。

信号具有下面几个特点：

• 每个信号都有编号和宏定义名称
• 信号可能在进程执行到任意位置时产生
• 信号的处理方式在信号到来前就已经确定
• 信号产生后，可以暂时保存，未必立即处理
• 常规信号主要表示某类事件是否发生，不适合传递大量数据

信号处理可以分为信号产生、信号保存和信号递达三个阶段。

1.2 查看系统信号

例：

kill-lman7signal

常见信号包括：

不同架构上的部分信号编号可能存在差异，程序应优先使用SIGINT这样的宏，而不是直接写数字。

1.3 三种处理方式

进程对信号可以选择：

1. 执行默认动作
2. 忽略信号
3. 执行自定义处理函数

对应的特殊处理值是：

SIG_DFL SIG_IGN

SIGKILL和SIGSTOP不能被捕捉、阻塞或忽略，内核必须保留最终控制进程的能力。

二、初步捕捉信号

2.1 signal 接口

#include<signal.h>typedefvoid(*sighandler_t)(int);sighandler_tsignal(intsignum,sighandler_thandler);

signal用于设置某个信号的处理方式。它只是注册处理函数，并不会直接调用函数。

2.2 捕捉 SIGINT

例：

#include<signal.h>#include<unistd.h>voidHandler(intsignal_number){constcharmessage[]="get SIGINT\n";write(STDOUT_FILENO,message,sizeof(message)-1);}intmain(){signal(SIGINT,Handler);while(1){pause();}return0;}

按下Ctrl+C后，终端驱动和内核向当前前台进程组发送SIGINT。由于程序把默认动作改成了自定义处理函数，所以进程不会直接终止。

2.3 忽略与恢复默认动作

例：

signal(SIGINT,SIG_IGN);

此时进程忽略SIGINT。

恢复默认动作：

signal(SIGINT,SIG_DFL);

注意：忽略表示信号递达后不执行其他动作；阻塞表示信号暂时不能递达。二者不是同一个概念。

三、信号的产生

3.1 终端按键产生信号

Shell 中常见控制键包括：

• Ctrl+C：向前台进程组发送SIGINT
• Ctrl+\：向前台进程组发送SIGQUIT
• Ctrl+Z：向前台进程组发送SIGTSTP

控制键只作用于前台进程组。后台进程不会因为当前终端按下Ctrl+C而直接收到同样的终端信号。

3.2 kill 命令

例：

kill-SIGTERM进程IDkill-15进程ID

kill命令的名字容易让人误解，它的本质是发送信号。发送的信号是否终止进程，取决于信号类型和目标进程的处理方式。

3.3 kill 函数

#include<signal.h>#include<sys/types.h>intkill(pid_tpid,intsig);

例：实现一个简化版kill命令。

#include<signal.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>intmain(intargc,char*argv[]){if(argc!=3){fprintf(stderr,"Usage: %s signal pid\n",argv[0]);return1;}intsignal_number=atoi(argv[1]);pid_tid=(pid_t)atoi(argv[2]);if(kill(id,signal_number)<0){perror("kill");return2;}return0;}

3.4 raise 与 abort

raise用于给当前进程发送信号。

intraise(intsig);

例：

raise(SIGINT);

abort会使当前进程异常终止，通常表现为收到SIGABRT。

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

3.5 alarm 产生信号

#include<unistd.h>unsignedintalarm(unsignedintseconds);

调用alarm(5)后，内核会在大约 5 秒后向当前进程发送SIGALRM。每个进程只有一个传统 alarm，重新设置会覆盖之前的倒计时。

例：

#include<signal.h>#include<unistd.h>volatilesig_atomic_ttimeout=0;voidAlarmHandler(intsignal_number){timeout=1;}intmain(){signal(SIGALRM,AlarmHandler);alarm(1);while(!timeout){//执行其他计算}return0;}

alarm默认只触发一次。需要周期定时，可以在处理函数外重新设置，或使用setitimer、POSIX Timer、timerfd等接口。

3.6 软件条件产生信号

某些信号由内核检测到的软件条件产生。例如：

• 向所有读端已经关闭的管道写数据，产生SIGPIPE
• 子进程退出或状态变化，父进程收到SIGCHLD
• 闹钟到期，进程收到SIGALRM

3.7 硬件异常转化为信号

程序执行除零、非法地址访问等指令时，CPU 先产生异常并进入内核。内核判断异常与当前用户进程有关，随后把它转化为信号，在返回用户态前进行处理。

因此，信号本身仍然由操作系统发送。硬件异常只是触发内核处理的一种来源。

四、Core Dump

4.1 什么是 Core Dump

某些信号的默认动作不仅终止进程，还会尝试生成 Core 文件。Core 文件保存进程异常时的部分内存、寄存器和线程状态，可用于事后调试。

4.2 开启与查看限制

例：

ulimit-culimit-cunlimited

是否真正生成 Core，还受到系统配置、资源限制、目录权限、容器环境等因素影响。

4.3 使用 GDB 分析

例：

gcc test.c-g-otest./test gdb ./test core

进入 GDB 后可以使用：

bt info registers frame 0

注意：Core 文件可能包含口令、密钥、请求数据等敏感内容，生产环境中应当控制保存位置和访问权限。

五、信号产生、未决与递达

5.1 三个状态

• 信号产生：事件发生，内核决定向进程发送信号
• 信号未决：信号已经产生，但还没有执行处理动作
• 信号递达：进程实际执行默认、忽略或自定义动作

如果信号被阻塞，它会保持未决状态，直到解除阻塞后才有机会递达。

5.2 内核中的表示

内核需要为每个进程保存：

• 哪些信号正在被阻塞
• 哪些信号处于未决状态
• 每个信号对应什么处理动作

常规信号通常使用位图表示。某个常规信号在递达前产生多次，未决位仍然只是1，因此一般不会累计次数。实时信号则支持排队，但本文不展开。

5.3 阻塞与忽略

假设SIGINT已经被阻塞，此时用户按下Ctrl+C：

1. 内核把SIGINT记为未决
2. 因为阻塞位有效，暂时不递达
3. 进程以后可以修改信号处理动作
4. 解除阻塞后，内核按照当时的处理动作递达

所以，即使处理动作暂时设置为忽略，只要信号仍被阻塞，内核也不能简单地把未决状态当作已经完成处理。

六、信号集

6.1 sigset_t

sigset_t用于表示一组信号。其内部实现由系统决定，不应该直接把它当整数操作。

常用函数：

intsigemptyset(sigset_t*set);intsigfillset(sigset_t*set);intsigaddset(sigset_t*set,intsignal_number);intsigdelset(sigset_t*set,intsignal_number);intsigismember(constsigset_t*set,intsignal_number);

使用信号集前必须初始化。

例：

sigset_tset;sigemptyset(&set);sigaddset(&set,SIGINT);sigaddset(&set,SIGQUIT);

6.2 sigprocmask

intsigprocmask(inthow,constsigset_t*set,sigset_t*oldset);

how常见取值：

例：阻塞SIGINT。

sigset_tset;sigset_toldset;sigemptyset(&set);sigaddset(&set,SIGINT);sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);

恢复原来的屏蔽字：

sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldset,NULL);

6.3 sigpending

intsigpending(sigset_t*set);

该函数读取当前进程的未决信号集。

例：打印 1 到 31 号信号的未决状态。

voidPrintPending(void){sigset_tpending;sigpending(&pending);for(intsignal_number=1;signal_number<=31;signal_number++){intvalue=sigismember(&pending,signal_number);printf("%d",value==1?1:0);}printf("\n");}

6.4 阻塞实验

例：

#include<signal.h>#include<stdio.h>#include<unistd.h>intmain(){sigset_tset;sigset_toldset;sigemptyset(&set);sigaddset(&set,SIGINT);sigprocmask(SIG_BLOCK,&set,&oldset);for(intcount=10;count>0;count--){sigset_tpending;sigpending(&pending);printf("SIGINT pending: %d\n",sigismember(&pending,SIGINT));sleep(1);}printf("unblock SIGINT\n");sigprocmask(SIG_SETMASK,&oldset,NULL);return0;}

运行期间按下Ctrl+C，SIGINT会进入未决状态。恢复屏蔽字时，如果仍然采用默认动作，信号递达后进程会终止。

七、使用 sigaction 捕捉信号

7.1 sigaction 接口

sigaction比signal提供更明确、更完整的控制。

#include<signal.h>intsigaction(intsignal_number,conststructsigaction*action,structsigaction*old_action);

结构中的常用字段：

• sa_handler：普通信号处理函数
• sa_mask：执行处理函数期间额外阻塞的信号
• sa_flags：行为选项

7.2 注册处理函数

例：

#include<signal.h>#include<string.h>#include<unistd.h>voidHandler(intsignal_number){constcharmessage[]="signal delivered\n";write(STDOUT_FILENO,message,sizeof(message)-1);}intmain(){structsigactionaction;memset(&action,0,sizeof(action));action.sa_handler=Handler;sigemptyset(&action.sa_mask);action.sa_flags=0;if(sigaction(SIGINT,&action,NULL)<0){return1;}while(1){pause();}return0;}

7.3 sa_mask 的作用

处理某个信号时，内核会自动暂时阻塞当前信号，避免同类信号立即重入。如果还希望处理期间阻塞其他信号，可以加入sa_mask。

例：处理SIGINT时同时阻塞SIGQUIT。

sigemptyset(&action.sa_mask);sigaddset(&action.sa_mask,SIGQUIT);

处理函数返回后，原来的信号屏蔽字会自动恢复。

八、信号处理函数的执行流程

8.1 用户态与内核态切换

信号处理函数位于用户空间，但信号状态由内核维护。一个典型流程是：

1. 用户程序正在执行
2. 因中断、异常或系统调用进入内核
3. 内核完成当前工作，准备返回用户态
4. 内核检查到有可递达信号
5. 内核构造新的用户态上下文，先执行信号处理函数
6. 处理函数结束后通过sigreturn再次进入内核
7. 内核恢复被打断的用户态上下文，原程序继续运行

信号处理函数不是由main普通调用的，二者是两个独立的控制流程。处理完成后，程序通常从被打断的位置附近继续执行。

8.2 信号为什么是异步的

用户程序无法预知信号具体在何时递达。它可能发生在一次表达式计算、内存分配或链表修改的中间。因此信号处理函数与主流程之间存在类似并发的重入问题。

注意：信号可能在主流程执行到几乎任意位置时打断它，编写处理函数时必须按照异步环境考虑安全性。

九、中断、异常与系统调用

9.1 硬件中断

键盘、网卡、磁盘等外设可以通过中断通知 CPU。CPU 根据中断向量进入内核预先注册的处理程序，操作系统不需要持续轮询每个设备。

9.2 时钟中断

时钟设备周期产生中断，为操作系统提供时间基准。内核可以在时钟中断中更新时间、统计时间片并触发调度，使多个进程轮流使用 CPU。

9.3 异常

除零、缺页、非法指令、访问越界等事件由 CPU 在执行当前指令时检测，属于同步异常。内核接管后决定怎样处理：

• 合法缺页：分配或加载页面，更新页表后继续执行
• 非法内存访问：向当前进程产生SIGSEGV
• 除零：向当前进程产生SIGFPE

9.4 系统调用

用户程序不能直接执行所有特权操作，需要通过syscall等机制主动进入内核。系统调用号用于选择具体的内核服务，参数通过寄存器或用户缓冲区传递。

9.5 统一理解

可以把三者区分为：

• 中断：由外部设备异步触发
• 异常：由当前指令执行结果同步触发
• 系统调用：用户程序主动请求进入内核

它们都会导致 CPU 从用户态进入内核态，但触发来源和处理语义不同。信号经常是内核处理这些事件之后，通知用户进程的一种结果。

十、可重入函数与异步信号安全

10.1 什么是重入

假设主流程正在修改一个全局链表，只完成了一半就被信号打断；处理函数又调用同一个链表插入函数。第二次调用结束后，主流程继续执行，链表可能已经被破坏。

同一个函数在前一次调用尚未结束时再次进入，叫作重入。如果函数依赖共享可变状态，重入就可能导致错误。

10.2 常见的不安全操作

信号处理函数中不应随意调用：

• printf、std::cout等缓冲 IO
• malloc、free、new、delete
• 大多数使用内部锁或全局状态的库函数

因为主流程可能正好在这些函数内部被打断，处理函数再次调用会破坏数据或产生死锁。

POSIX 定义了一组异步信号安全函数，write是常用成员之一。

10.3 安全的设计方式

信号处理函数应当尽量短，只做下面这类操作：

• 设置volatile sig_atomic_t类型的标志
• 向预先创建的管道写入一个简单通知
• 调用明确属于异步信号安全集合的函数

把真正的业务处理留给主循环完成。

十一、volatile 与 sig_atomic_t

11.1 volatile 的作用

编译器可能把循环中反复读取的普通变量缓存到寄存器。如果信号处理函数异步修改该变量，主循环未必会按预期重新读取内存。

volatile告诉编译器，每次访问都应当按照可观察内存操作处理，不要把值长期假定为不变。

11.2 信号标志的写法

例：

#include<signal.h>#include<unistd.h>volatilesig_atomic_tquit=0;voidHandler(intsignal_number){quit=1;}intmain(){signal(SIGINT,Handler);while(!quit){//执行主循环}return0;}

sig_atomic_t保证该类型的简单读写适合用于信号处理场景。

注意：volatile不是线程同步工具，不提供复合操作原子性、内存顺序或互斥。多线程并发应使用 C/C++ 原子类型、互斥锁等机制。

十二、SIGCHLD 与子进程回收

12.1 SIGCHLD

子进程退出、停止或继续时，父进程可能收到SIGCHLD。其默认动作通常是忽略，但这不等于子进程一定会自动被回收。

父进程可以注册处理函数，在收到通知后调用waitpid回收已经退出的子进程。

12.2 为什么要循环 waitpid

常规信号不保证按产生次数排队。多个子进程几乎同时退出时，父进程可能只观察到一次SIGCHLD递达，因此处理函数中要循环回收。

例：

#include<errno.h>#include<signal.h>#include<sys/wait.h>#include<unistd.h>voidChildHandler(intsignal_number){intold_errno=errno;while(waitpid(-1,NULL,WNOHANG)>0){}errno=old_errno;}intmain(){structsigactionaction;action.sa_handler=ChildHandler;sigemptyset(&action.sa_mask);action.sa_flags=SA_RESTART|SA_NOCLDSTOP;sigaction(SIGCHLD,&action,NULL);for(inti=0;i<3;i++){pid_tid=fork();if(id==0){_exit(0);}}while(1){pause();}return0;}

保存和恢复errno，可以避免处理函数改变主流程正在观察的错误码。

十三、常见问题

13.1 pause 的竞态条件

下面的思路存在竞态：

while(!flag){pause();}

如果信号恰好在判断flag之后、调用pause之前递达，程序可能错过唤醒并永久阻塞。需要原子地更换屏蔽字并等待时，应使用sigsuspend。

13.2 被信号中断的系统调用

阻塞系统调用可能因为信号递达而返回-1，同时把errno设为EINTR。程序要根据接口语义选择重试，或者为sigaction设置合适的SA_RESTART。

13.3 不要在处理函数中做复杂工作

处理函数执行期间，主流程处于被打断状态。复杂日志、内存分配、锁操作和业务回调都会扩大重入风险。最可靠的策略是只记录事件，再由正常执行流处理。

十四、总结

信号是操作系统向进程异步通知事件的机制。信号可以由终端按键、命令与系统调用、软件条件或硬件异常产生。产生后的信号先进入未决状态，内核根据进程的阻塞集合与处理动作，在合适的返回用户态时机完成递达。

信号处理有默认、忽略和自定义三种方式。sigset_t、sigprocmask和sigpending用于观察并控制信号集合，sigaction用于可靠地注册处理函数和临时屏蔽其他信号。信号处理函数属于异步控制流，必须考虑可重入性和异步信号安全，通常只设置volatile sig_atomic_t标志或发送简单通知。

真正理解信号，需要把用户态程序、内核中的 pending/block/handler 信息以及中断返回流程连在一起，而不是只记住几个信号编号。