信号的诞生：Linux进程信号的启示与奥秘

🌇前言

在浩瀚无垠的计算机世界中，进程如同星辰般闪烁，它们的诞生、运动和消亡为这个宇宙增添了无数色彩。而其中的信号，仿佛是来自深空的神秘讯息，穿越时间与空间，影响着每一个进程的命运。

今天，我们将一起探寻Linux操作系统中进程信号的起源和它们的伟大使命——它们是如何产生的，又是如何影响着整个系统的脉搏与节奏。

🏙️正文

1、进程信号基本概念

1.1、什么是信号？

信号 是信息传递的承载方式，一种信号往往代表着一种执行动作，比如：

鸡叫 => 天快亮了
闹钟 => 起床、完成任务
红绿灯 => 红灯停，绿灯行
……

当然这些都是生活中的 信号，当产生这些 信号 时，我们会立马想到对应的 动作 ，这是因为 我们认识并能处理这些信号

我们能进行处理是因为受过教育，学习了执行动作，但对进程来说，它可没有接受过九年义务教育，也不知道什么时候该干什么事

于是程序员们给操作系统植入了一批 指令，一个指令表示一种特殊动作，而这些指令就是 信号（进程信号）

通过kill -l查看当前系统中的信号集合表

kill -l

这些就是当前系统中的 进程信号，一共 62 个，其中 1~31 号信号为 普通信号（学习目标），用于 分时操作系统；剩下的 34~64 号信号为 实时信号，用于 实时操作系统

• 分时操作系统：根据时间片实行公平调度，适用于个人电脑
• 实时操作系统：高响应，适合任务较少、需要快速处理的平台，比如汽车车机、火箭发射控制台

普通信号只保存它有无产生，实时信号可以保持很长时间

因为我们的系统属于 分时操作系统，所以只需要研究 1~31 号信号即可，当然也不是全部研究，部分信号只做了解即可

1.2、信号的作用

早在 进程状态 的学习中 我们就已经使用过 信号 了，比如：

• kill -9 pid 终止进程运行
• kill -19 pid 暂停进程运行
• kill -18 pid 恢复进程运行

就连常用的ctrl+c和 ctrl+d 热键本质上也是 信号

这么多信号，其对应功能是什么呢？

• 可以通过 man 7 signal 进行查询

man 7 signal

简单总结一下，1~31 号信号对应的功能如下（表格内容引用自 2021dragon Linux中的31个普通信号）

注意： 其中的 9 号 和 19 号信号是非常特殊的，不能修改其默认动作

1.3、信号的基本认知

进程信号由 信号编号 + 执行动作 构成，一个信号对应一种动作，对于进程来说，动作无非就这几种：终止进程、暂停进程、恢复进程，3 个信号就够用了啊，为什么要搞这么多信号？

• 创造信号的目的不只是控制进程，还要便于管理进程，进程的终止原因有很多种，如果一概而论的话，对于问题分析是非常不友好的，所以才会将信号细分化，搞出这么多信号，目的就是为了方便定位、分析、解决问题
• 并且 普通信号 就 31 个，这就是意味着所有普通信号都可以存储在一个 int 中，表示是否收到该信号（信号的保存）

所以信号被细化了，不同的信号对应不同的执行动作，虽然大部分最终都是终止进程

进程的执行动作是可修改的，默认为系统预设的 默认动作

1. 默认动作
2. 忽略
3. 自定义动作

所以我们可以 更改信号的执行动作（后面会专门讲信号处理相关内容）

信号有这么多个，并且多个进程可以同时产生多个信号，操作系统为了管理，先描述、再组织，在 PCB 中增加了 信号相关的数据结构：signal_struct，在这个结构体中，必然存在一个 位图结构 uint32_t signals存储 1~31 号信号的有无信息

//信号结构体源码（部分）
struct signal_struct {atomic_t		sigcnt;atomic_t		live;int			nr_threads;wait_queue_head_t	wait_chldexit;	/* for wait4() *//* current thread group signal load-balancing target: */struct task_struct	*curr_target;/* shared signal handling: */struct sigpending	shared_pending;/* thread group exit support */int			group_exit_code;/* overloaded:* - notify group_exit_task when ->count is equal to notify_count* - everyone except group_exit_task is stopped during signal delivery*   of fatal signals, group_exit_task processes the signal.*/int			notify_count;struct task_struct	*group_exit_task;/* thread group stop support, overloads group_exit_code too */int			group_stop_count;unsigned int		flags; /* see SIGNAL_* flags below *//** PR_SET_CHILD_SUBREAPER marks a process, like a service* manager, to re-parent orphan (double-forking) child processes* to this process instead of 'init'. The service manager is* able to receive SIGCHLD signals and is able to investigate* the process until it calls wait(). All children of this* process will inherit a flag if they should look for a* child_subreaper process at exit.*/unsigned int		is_child_subreaper:1;unsigned int		has_child_subreaper:1;//……
};

下面对 进程信号 做一波概念性的总结

1. 信号是执行的动作的信息载体，程序员在设计进程的时候，早就已经设计了其对信号的识别能力
2. 信号对于进程来说是异步的，随时可能产生，如果信号产生时，进程在处理优先级更高的事情，那么信号就不能被立即处理，此时进程需要保存信号，后续再处理
3. 进程可以将 多个信号 或 还未处理 的信号存储在signal_struct这个结构体中，具体信号编号，存储在 uint32_t signals 这个位图结构中
4. 所谓的 “发送” 信号，其实就是写入信号，修改进程中位图结构中对应的比特位，由 0 置为 1，表示该信号产生了
5. signal_struct 属于内核数据结构，只能由 操作系统 进行同一修改，无论信号是如何产生的，最终都需要借助操作系统进行发送
6. 信号并不是立即处理的，它会在合适的时间段进行统一处理

所以 进程信号 可以分为三步：信号产生 =》 信号保存 =》 信号处理

本文讲解的就是信号产生部分相关知识，下面正式开始学习 信号产生

===== 信号产生的方式 =====

2、键盘键入

信号产生（发送）的第一种方式：键盘键入

通俗来说就是命令行操作

2.1、ctrl+c 终止前台进程

系统卡死遇到过吧？程序死循环遇到过吧？这些都是比较常见的问题，当发生这些问题时，我们可以通过 键盘键入 ctrl + c 发出 2 号信号终止前台进程的运行

下面是一段死循环代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{while(true){cout << "我是一个进程，我正在运行…… PID: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

运行程序后，会一直循环打印，此时如果想要终止进程，可以直接按 ctrl + c 发出 2 号信号，终止前台进程

此时发出了一个 2 号信号 SIGINT 终止了该进程的运行

如何证明呢？如何证明按 ctrl + c 发出的是 2 号信号呢？

证明自有方法，前面说过，一个信号配有一个执行动作，并且执行动作是可以修改的，需要用到 signal 函数（属于 信号处理 部分的内容，这里需要提前用一下）

ctrl + c 终止的是当前正在运行的前台进程，如果在程序运行时加上 & 表示让其后台运行，此时会发现无法终止进程

像这种后台进程ctrl + c是无法终止的，可以通过 kill -9 PID 发出 9 信号终止它

2.1.1、signal 注册执行动作

signal 函数可以用来 修改信号的执行动作，也叫注册自定义执行动作

signal 调用成功返回上一个执行方法的值（其实就是下标，后面介绍），失败则返回 SIG_ERR，并设置错误码

返回值可以不用关注，重点在于 signal 的参数

• 参数1 待操作信号的编号
• 参数2 待注册的新方法

参数1 就是信号编号，为 int，单纯地传递 信号名也是可以的，因为信号名其实就是信号编号的宏定义

参数2 是一个函数指针，意味着需要传递一个 参数为 int，返回值为空的函数对象

• 参数 int 是执行动作的信号编号

void handler(int)	//其中的函数名可以自定义

显然，signal 函数是一个 回调函数，当信号发出时，会去调用相应的函数，也就是执行相应的动作

我们先对 2 号信号注册新动作，在尝试按下 ctrl + c，看看它发出的究竟是不是 2 号信号

当我们修改 2 号信号的执行动作后，再次按下 ctrl + c 尝试终止前台进程，结果失败了！执行动作变成了我们注册的新动作

这足以证明 ctrl + c 就是在给前台进程发出 2 号信号，ctrl + c 失效后，可以通过 ctrl + \ 终止进程，发出的是 3 号信号（3 号信号在发出后，会生成 核心转储 文件）

普通信号只有 31 个，如果把所有普通信号的执行动作都改了，会发生什么呢？难道会得到一个有着 金刚不坏 之身的进程吗？

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "当前 " << signo << " 号信号正在尝试执行相应的动作" << endl;
}int main()
{//给所有普通信号注册新方法for(int i = 1; i < 32; i++)signal(i, handler);while(true){cout << "我是一个进程，我正在运行…… PID: " << getpid() << endl;sleep(1);}return 0;
}

• 大部分信号的执行动作都被修改了，但 9 号信号没有，因为 9 号信号是 SIGKILL，专门用于杀死进程，只要是进程，他都能干掉

• 19 号信号 SIGSTOP 也无法修改执行动作，所以前面说过，9 号 SIGKILL 和 19 号 SIGSTOP 信号是很特殊的，经过特殊设计，不能修改其执行动作！

• 大部分信号的执行动作都被修改了，但 9 号信号没有，因为 9 号信号是 SIGKILL，专门用于杀死进程，只要是进程，他都能干掉

• 19 号信号 SIGSTOP 也无法修改执行动作，所以前面说过，9 号 SIGKILL 和 19 号 SIGSTOP 信号是很特殊的，经过特殊设计，不能修改其执行动作！

2.2、硬件中断

当我们从键盘按下 ctrl + c 时，发生了这些事：CPU 获取到键盘 “按下” 的信号，调用键盘相应的 “方法” ，从键盘中读取数据，读取数据后解析，然后发出 3 号信号

其中 CPU 捕获键盘 “按下” 信号的操作称为 硬件中断

CPU 中有很多的针脚，不同的硬件对应着不同的针脚，每一个针脚都有自己的编号，硬件与针脚一对一相连，并通过 中断控制器（比如 8259）进行控制，当我们按下键盘后

• 中断控制器首先给CPU发送信息，包括键盘对应的针脚号
• 然后 CPU 将获取到的针脚号（中断号）写入 寄存器 中
• 最后根据 寄存器 里的 中断号，去中断向量表中查表，找到对应硬件的方法，执行它的读取方法就行了

这样 CPU 就知道是 键盘 发出的信号，然后就会去调用 键盘 的执行方法，通过键盘的读取方法，读取到ctrl + c这个信息，转化后，就是 2 号信号，执行终止前台进程的动作

键盘被按下 和 键盘哪些位置被按下 是不一样的

• 首先键盘先按下，CPU 确定对应的读取方法
• 其次才是通过 读取方法 从键盘中读取数据

注：键盘读取方法如何进行读取，这是驱动的事，我们不用关心

硬件中断 的流程与 进程信号 的流程雷同，同样是 先检测到信号，然后再去执行相应的动作，不过此时发送的是 中断信号，执行的是 调用相应方法罢了

信号 与 动作 的设计方式很实用，操作系统只需要关注是否有信号发出，发出后去中断向量表中调用相应的方法即可，不用管硬件是什么样、如何变化，做到了操作系统与 硬件 间的解耦

3、系统调用

除了可以通过 键盘键入 发送信号外，还可以通过直接调用 系统接口 发送信号，毕竟 bash 也是一个进程，本质上就是在进行程序替换而已

3.1、kill 函数

信号的发送主要是通过kill函数进行发送

• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置错误码

• 参数1：待操作进程的 PID

• 参数2：待发送的信号

下面来简单用一下（程序运行 5 秒后，自己把自己杀死）

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程，已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;if (n > 5)kill(getpid(), SIGKILL);}return 0;
}

kill 函数当然也可以发送其他信号，这里就不一一展示了，其实命令行中的 kill 命令就是对 kill 函数的封装，kill -信号编号 -PID 其中的参数2、3不正是 kill 函数所需要的参数吗？所以我们可以尝试自己搞一个 myKill 命令

3.2、模拟实现 myKill

这里就直接利用 命令行参数 简单实现了

#include <iostream>
#include <string>
#include <signal.h>using namespace std;void Usage(string proc)
{// 打印使用信息cout << "\tUsage: \n\t";cout << proc << " 信号编号 目标进程" << endl;exit(2);
}int main(int argc, char *argv[])
{// 参数个数要严格限制if (argc != 3){Usage(argv[0]);}//获取两个参数int signo = atoi(argv[1]);int pid = atoi(argv[2]);//执行信号发送kill(pid, signo);return 0;
}

下面随便跑一个进程，然后用自己写的 myKill 命令给进程发信号

我们可以把这个程序改造下，改成进程替换的方式，让后将自己写的命令进行安装，就能像kill一样直接使用了

3.3、raise 函数

发送信号的还有一个raise
函数，这个函数比较奇怪，只能 自己给自己发信号

返回值：成功返回 0，失败返回 非0

就只有一个参数：待发送的信号

可以这样理解：raise 是对 kill 函数的封装，每次传递的都是自己的 PID

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程，已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;if (n > 5)raise(SIGKILL); //自己杀死自己    }return 0;
}

3.4、abort 函数

abort 是 C 语言提供的一个函数，它的作用是 给自己发送 6 号 SIGABRT信号

没有返回值，也没有参数

值得一提的是，abort 函数即使在修改执行动作后，最后仍然会发送 6 号信号

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "收到了 " << signo << " 号信号，已执行新动作" << endl;
}int main()
{signal(6, handler);// signal(SIGABRT, handler);    //这种写法也是可以的int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程，已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;if (n > 5)abort();}return 0;
}

即使执行了我们新注册的方法，abort 最后仍然会发出 6 号信号终止进程

同样是终止进程，C语言 还提供了一个更好用的函数：exit()，所以 abort 用的比较少，了解即可

总的来说，系统调用中举例的这三个函数关系是：kill 包含 raise，raise 包含 abort，作用范围是在逐渐缩小的

4、软件条件

信号产生（发送）的第三种方式：软件条件

其实这种方式我们之前就接触过了：管道读写时，如果读端关闭，那么操作系统会发送信号终止写端，这个就是 软件条件 引发的信号发送，发出的是 13 号 SIGPIPE 信号

4.1、alarm 设置闹钟

系统为我们提供了 闹钟（报警）：alarm，这个闹钟 可不是用来起床的，而是用来 定时 的

• 返回值：如果上一个闹钟还有剩余时间，则返回剩余时间，否则返回 0
• 参数：想要设定的时间，单位是秒

当时间到达闹钟中的预设时间时，闹钟会响，并且发送 14 号 SIGALRM 信号

比如这样：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{alarm(5);   //设定一个五秒后的闹钟int n = 1;while (true){cout << "我是一个进程，已经运行了 " << n << " 秒 PID: " << getpid() << endl;sleep(1);n++;}return 0;
}

我们也可以更改 14 号 SIGALRM 信号的执行动作，让闹钟不断响起（自举）

闹钟提前结束，会返回剩余时间
系统中不止一个闹钟，所以 OS 需要 先描述，再组织，将这些闹钟管理起来

可以借助闹钟，简单测试一下当前服务器的算力

4.2、测试算力

如何简单粗暴的测试算力？ 设个 1 秒后响起的闹钟，看看程序能将一个值累加至多少

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;int n = 0;void handler(int signo)
{cout << n << endl;exit（1）;
}int main()
{signal(SIGALRM, handler);alarm(1);   //设定一个一秒后的闹钟while(true)n++;return 0;
}

发现一秒内只能累加约11万次

主要是因为当前程序涉及了 IO，这是非常耗时间的，可以取消 IO 并修改 SIGALRM 的执行动作为打印变量，看看能累加多少次

发现数据量暴涨，已经超出了int的存储范围

通过这个简单的小程序证明了一件事：IO 是非常慢的，能不 IO 就不 IO

注：

• 因为当前是云服务器，存在 网络延迟 的影响，所以实际差异更大
• 闹钟是一次性的，只能响一次

5、硬件异常

最后一种产生（发送）信号的方式是：硬件异常

所谓 硬件异常 其实就是我们在写程序最常遇到的各种报错，比如 除 0、野指针

5.1、除 0 导致异常

先来看一段简单的错误代码

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int n = 10;n /= 0;return 0;
}

显然是会报错的是，毕竟 0 不能作为除数

根据报错信息，可以推测出此时发送的是 8 号 SIGFPE 信号（浮点异常）

让我们通过signal 更改 8 号信号的执行动作，尝试逆天改命，让除 0合法？

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;void handler(int signo)
{cout << "虽然除 0 了，但我不终止进程" << endl;
}int main()
{signal(SIGFPE, handler);int n = 10;n /= 0;return 0;
}

结果：一直在死循环似的发送信号，明明只发生了一次 除 0 行为

想要明白背后的原理，需要先认识一下 状态寄存器

5.2、状态寄存器

在 CPU 中，存在很多 寄存器，其中大部分主要用来存储数据信息，用于运算，除此之外，还存在一种特殊的 寄存器 =》 状态寄存器，这个 寄存器 专门用来检测当前进程是否出现错误行为，如果有，就会把 状态寄存器（位图结构）中对应的比特位置 1，意味着出现了 异常

当操作系统检测到 状态寄存器 出现异常时，会根据其中的值，向出现异常的进程 轮询式 的发送信号，目的就是让进程退出

比如上面的 除 0 代码，发生异常后，CPU 将 状态寄存器 修改，变成 异常状态，操作系统检测到 异常 后会向进程发送 8 号信号，即使我们修改了 8 号信号的执行动作，但 因为状态寄存器仍然处于异常状态，所以操作系统才会不断发送 8 号信号，所以才会死循环式的打印

能让 状态寄存器 变为 异常 的都不是小问题，需要立即终止进程，然后寻找、解决问题

毕竟如果让 除 0 变为合法，那最终的结果是多少呢？所以操作系统才会不断发送信号，目的就是 终止进程的运行

5.3、野指针导致异常

除了 除 0 异常外，还有一个 臭名昭著 的异常：野指针问题

比如：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int* ptr = nullptr;*ptr = 10;return 0;
}

Segmentation fault 段错误 这是每个 C/C++ 程序猿都会遇到的问题，因为太容易触发了，出现段错误问题时，操作系统会发送 11 号 SIGSEGV 信号终止进程，可以通过修改执行动作验证，这里不再演示

那么 野指针 问题是如何引发的呢？

野指针问题主要分为两类：

• 指向不该指向的空间
• 权限不匹配，比如只读的区域，偏要去写

共识：在执行*ptr = 10这句代码时，首先会进行 虚拟地址 -> 真实（物理）地址 之间的转换

指向不该指向的空间：这很好理解，就是页表没有将 这块虚拟地址空间 与 真实（物理）地址空间 建立映射关系，此时进行访问时MMU识别到异常，于是 MMU 直接报错，操作系统识别到 MMU 异常后，向对应的进程发出终止信号

C语言中对于越界读 的检查不够严格，属于抽查行为，因此野指针越界读还不一定报错，但越界写是一定会报错的

权限不匹配：页表中除了保存映射关系外，还会保存该区域的权限情况，比如是否命中 / RW等权限，当发生操作与权限不匹配时，比如 nullptr 只允许读取，并不允许其他行为，此时解引用就会触发 MMU 异常，操作系统识别到后，同样会对对应的进程发出终止信号

页表中的属性

• 是否命中
• RW 权限
• UK 权限（不必关心）

注：MMU 是内存管理单元，主要负责 虚拟地址 与 物理地址 间的转换工作，同时还会识别各种异常行为

一旦引发硬件层面的问题，操作系统会直接发信号，立即终止进程

到目前为止，我们学习了很多信号，分别对应着不同的情况，其中有些信号还反映了异常信息，所以将信号进行细分，还是很有必要的

6、核心转储

Linux 中提供了一种系统级别的能力，当一个进程在出现异常的时候，OS 可以将该进程在异常的时候，核心代码部分进行 核心转储，将内存中进程的相关数据，全部 dump 到磁盘中，一般会在当前进程的运行目录下，形成 core.pid 这样的二进制文件（核心转储 文件）

6.1、核心转储的概念

对于某些信号来说，当终止进程后，需要进行 core dump，产生核心转储文件

比如：3号 SIGQUIT、4号 SIGILL、5号 SIGTRAP、6号 SIGABRT、7号 SIGBUS、8号 SIGFPE、11号 SIGSEGV、24号 SIGXCPU、25号 SIGXFSZ、31号 SIGSYS 都是可以产生核心转储文件的

不同信号的动作（Action）

• Trem -> 单纯终止进程
• Core -> 先发生核心转储，生成核心转储文件（前提是此功能已打开），再终止进程

但在前面的学习中，我们用过 3、6、8、11 号信号，都没有发现 核心转储 文件啊

难道是我们的环境有问题吗？

确实，当前环境确实有问题，因为它是 云服务器，而 云服务器 中默认是关闭核心转储功能的

6.2、打开与关闭核心转储

通过指令 ulimit -a 查看当前系统中的资源限制情况

ulimit -c 1024

现在可以生成核心转储文件了

就拿之前的野指针代码测试，因为它发送的是 11 号信号，会产生 core dump 文件

核心转储文件是很大的，而有很多信号都会产生核心转储文件，所以云服务器一般默认是关闭的

云服务器上是可以部署服务的，一般程序发生错误后，会立即重启

• 如果打开了核心转储，一旦程序 不断挂掉、又不断重启，那么必然会产生大量的核心转储文件，当文件足够多时，磁盘被挤满，导致系统 IO 异常，最终会导致整个服务器挂掉的
• 还有一个重要问题是core文件中可能包含用户密码等敏感信息，不安全

关闭核心转储很简单，设置为0就好了

ulimit -c 0

6.3、核心转储的作用

如此大的核心转储文件有什么用呢？

• 答案是 调试

没错，核心转储文件可以调试，并且直接从出错的地方开始调试

这种调试方式叫做 事后调试

调试方法：

• gcc / g++ 编译时加上 -g 生成可调试文件
• 运行程序，生成 core-dump 文件
• gdb 程序 进入调试模式
• core-file core.file 利用核心转储文件，快速定位至出错的地方

引用北 海的示例

之前在 进程创建、控制、等待 中，我们谈到了 当进程异常退出时（被信号终止），不再设置退出码，而是设置 core dump 位 及 终止信号

也就是说，父进程可以借此判断子进程是否产生了 核心转储 文件

🌆结语：信号的传递与进程的心跳

Linux中的进程信号，它们的产生既是技术的需求，也是系统灵魂的体现。它们以多样的形式诞生，从微弱的用户输入到急速的硬件中断，再到有序的定时任务，它们维持着系统的稳定与和谐。在这个复杂的体系中，信号如同一个无形的脉搏，连接着各个进程，传递着信息与命令。

在我们的数字世界里，信号不仅仅是冷冰冰的技术，它们承载着时间的律动，承载着每一段程序、每一行代码背后的思想与目的。而这些信号的背后，是一个又一个被赋予使命的进程，它们无声地工作，守护着我们所依赖的操作系统的平稳运行。

本篇关于进程信号产生的介绍就暂告段落啦，希望能对大家的学习产生帮助，欢迎各位佬前来支持斧正！！！