进程间通信详解（三）：Linux进程信号深度解析

一、Linux进程信号核心概念

1.1 信号本质

* 异步通信机制：事件驱动的进程间通知
* 信号类型：预定义整数（1-31为常规信号，34+为实时信号）
* 生命周期：产生 → 保存 → 处理

1.2 关键术语

术语	描述	内核表示
递达(Delivery)	信号实际处理过程	task_struct->ksigaction
未决(Pending)	信号产生到递达间的状态	task_struct->signal->pending
阻塞(Block)	进程主动屏蔽的信号	task_struct->blocked 位图

1.3 Linux 信号机制的核心流程：

信号产生 — 信号保存 — 信号处理

二、信号产生机制全景

2.1 通过终端按键产生信号

2.1.1 基本操作

• Ctrl + C(SIGINT)
  向当前正在运行的前台进程发送中断信号，使进程立即终止运行。不过，若进程对SIGINT信号进行了特殊处理，如捕获并忽略该信号，那么按下Ctrl + C可能无法终止进程。同时，Ctrl + C仅对前台进程有效，后台进程不会受其影响
• Ctrl + \(SIGOUT)
  不仅会终止进程，还会让进程生成 核心转储文件（core dump），用于调试程序崩溃问题
• Ctrl + Z(SIGSTP)
  将当前前台进程暂停（挂起） 并放入后台，使其暂时停止运行但不终止。

2.2 调用系统命令向进程发信号

2.2.1 kill 命令：向指定进程发送信号

基本语法：

kill [-信号名称/编号] <进程ID>

常用信号选项：

• -9 或 -SIGKILL：强制终止进程（不可被捕获或忽略）。
  -15 或 -SIGTERM：正常终止进程（默认选项，可被捕获并执行清理）。
  -1 或 -SIGHUP：重新加载配置（常用于守护进程，如 nginx）。
  -2 或 -SIGINT：中断进程（等价于 Ctrl + C）。
  -3 或 -SIGQUIT：终止进程并生成 core 文件（等价于 Ctrl + \）。
  -19 或 -SIGSTOP：暂停进程（等价于 Ctrl + Z，不可被忽略）。
  -18 或 -SIGCONT：恢复被暂停的进程。

示例：

# 正常终止进程（先尝试清理）
kill 1234# 强制终止进程（不执行清理）
kill -9 1234# 向多个进程发送信号
kill -15 1234 5678 9012# 发送自定义信号（如 SIGUSR1，编号 10）
kill -10 1234

2.2.2 killall 命令：按进程名发送信号

基本语法：

killall [-信号名称/编号] <进程名>

示例：

# 终止所有名为 "nginx" 的进程
killall nginx# 强制终止所有名为 "cpp" 的进程
killall -9 cpp# 重新加载所有名为 "httpd" 的进程的配置
killall -HUP httpd

2.2.3 pkill 命令：按进程名或属性发送信号

基本语法：

pkill [-信号名称/编号] [-选项] <匹配模式>

常用选项：

• -u <用户>：按用户名筛选进程。
• -t <终端>：按终端会话筛选进程。
• -f：匹配进程全名（包括命令行参数）。

示例：

# 终止用户 "test" 运行的所有 "bash" 进程
pkill -u test bash# 暂停当前终端的所有 "vim" 进程
pkill -STOP -t pts/0 vim# 终止包含 "python script.py" 的进程
pkill -f "python script.py"

2.2.4 发送信号的实际场景

优雅重启服务

# 重新加载 Nginx 配置（不中断现有连接）
kill -HUP $(cat /run/nginx.pid)

批量管理进程

# 暂停所有用户 "alice" 的进程
pkill -STOP -u alice# 恢复所有被暂停的进程
pkill -CONT -u alice

终止顽固进程

# 先尝试正常终止（给进程清理资源的机会）
kill 1234# 若 5 秒后仍未终止，强制杀死
sleep 5 && kill -9 1234

2.2.5 查看信号列表

通过 kill -l 命令可查看系统支持的所有信号：

编号34以上的是实时信号，本章只讨论编号34以下的信号，不讨论实时信号。这些信号各自在什么条件下产生，默认的处理动作是什么，在signal(7)中都有详细说明：man 7 signal

2.3 使用函数产生信号

2.3.1 kill

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

参数说明：

• pid：目标进程 ID（pid > 0），或特殊值：
  • pid = 0：向当前进程组的所有进程发送信号。
  • pid = -1：向所有有权限发送的进程发送信号。
  • sig：要发送的信号（如 SIGINT、SIGKILL，或自定义信号如 SIGUSR1）。

返回值：

• 成功返回 0，失败返回 -1（错误原因可通过 errno 获取）。

代码示例：向指定进程发送 SIGTERM 信号

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 3) {printf("用法: %s <进程ID> <信号编号>\n", argv[0]);return 1;}pid_t target_pid = atoi(argv[1]);int signal_num = atoi(argv[2]);if (kill(target_pid, signal_num) == -1) {perror("kill 失败");printf("错误码: %d, 错误信息: %s\n", errno, strerror(errno));return 1;}printf("已向进程 %d 发送信号 %d\n", target_pid, signal_num);return 0;
}

编译与使用：

gcc -o kill_demo kill_demo.c
# 向进程1234发送SIGTERM（信号15）
./kill_demo 1234 15

2.3.2 raise() 函数：向自身发送信号

函数原型：

#include <signal.h>
int raise(int sig);

参数说明：

• sig：要发送的信号（等价于 kill(getpid(), sig)）。

返回值：

• 成功返回 0，失败返回非零值。

代码示例：程序自中断（等价于 Ctrl + C）

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void sigint_handler(int sig) {printf("捕获到SIGINT信号，程序即将退出\n");exit(0);  // 调用 exit 终止进程
}int main() {// 注册SIGINT信号处理函数signal(SIGINT, sigint_handler);printf("程序运行中，3秒后自发送SIGINT信号...\n");sleep(3);// 向自身发送SIGINT信号raise(SIGINT);printf("该语句不会执行，因为进程已处理信号并退出\n");return 0;
}

2.3.3 sigqueue() 函数：发送带数据的信号（实时信号）

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

参数说明：

• pid：目标进程 ID。
• sig：要发送的信号（推荐使用实时信号，如 SIGRTMIN + n）。
• value：包含整数或指针数据的联合体，可随信号传递给目标进程。

返回值：

• 成功返回 0，失败返回 -1。

代码示例：发送带数据的实时信号

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>// 目标进程（接收信号）
void target_process() {// 注册信号处理函数struct sigaction sa;memset(&sa, 0, sizeof(sa));sa.sa_flags = SA_SIGINFO;  // 支持接收信号附带的数据sa.sa_sigaction = [](int sig, siginfo_t *info, void *context) {if (sig == SIGRTMIN) {printf("接收实时信号SIGRTMIN，附带数据：%d\n", info->si_int);}};sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL);printf("目标进程运行中，等待信号...\n");while (1) sleep(1);
}// 发送信号的进程
void sender_process(pid_t target_pid) {union sigval value;value.sival_int = 100;  // 附带整数数据if (sigqueue(target_pid, SIGRTMIN, value) == -1) {perror("sigqueue 失败");exit(1);}printf("已向进程 %d 发送带数据的SIGRTMIN信号\n", target_pid);
}int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {printf("用法: %s <0(目标)/1(发送者)>\n", argv[0]);return 1;}int mode = atoi(argv[1]);if (mode == 0) {target_process();} else if (mode == 1) {pid_t target_pid = 1234;  // 替换为实际目标进程IDsender_process(target_pid);} else {printf("模式错误，需输入0或1\n");}return 0;
}

2.3.4 信号发送的错误处理与注意事项

常见错误：

• **权限不足：**普通用户只能向自己的进程发送信号，向其他用户进程发送信号需 root 权限。
• **进程不存在：**目标进程已终止或 PID 错误时，kill 会返回 ESRCH 错误。
• **信号被阻塞：**目标进程若阻塞了该信号，信号会暂存直至阻塞解除。

推荐方式：

• 先检查进程是否存在：使用 kill(pid, 0) 可在不发送信号的情况下检查进程是否存在（sig=0 为 “空信号”）。
• 区分信号类型：
  • 非实时信号（如 SIGINT）：若多次发送且未处理，仅保留最后一次。
  • 实时信号（如 SIGRTMIN）：会排队等待处理，适合需要可靠传递的场景。
• **避免滥用 SIGKILL：**优先使用 SIGTERM 让进程优雅退出，仅在必要时使用 SIGKILL。

2.3.5 总结

函数	用途	核心参数	适用场景
kill()	向任意进程发送信号	pid（进程 ID）、sig（信号）	进程控制、常规信号发送
raise()	向自身发送信号	sig（信号）	程序自中断、自定义退出
sigqueue()	发送带数据的实时信号	pid、sig、value（数据）	进程间通信、需传递数据场景

2.4 由软件条件产生信号

常见的软件信号

1. SIGALRM（闹钟信号）
   • 触发条件：通过alarm()或setitimer()函数设置的定时器到期。
   • 应用场景：实现超时控制、周期性任务（如心跳检测）。
2. SIGUSR1/SIGUSR2（用户自定义信号）
   • 触发条件：通过kill()、raise()或sigqueue()函数手动发送。
   • 应用场景：进程间自定义通信（如通知配置更新、优雅重启）。
3. SIGPIPE（管道破裂信号）
   • 触发条件：向已关闭的管道或套接字写入数据。
   • 应用场景：网络编程中检测连接状态。
4. SIGALRM/SIGVTALRM（虚拟定时器信号）
   触发条件：通过setitimer()设置的用户态或内核态 CPU 时间到期。
   应用场景：性能分析、CPU 时间统计。

SIGPIPE是一种由软件条件产生的信号，在“管道”中已经介绍过了。本节主要介绍alarm函数和SIGALRM信号。

2.4.1 alarm

1. 基本功能与原型

函数原型：

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

参数说明：

• seconds：设置的定时器秒数。
• seconds = 0：取消之前设置的闹钟。
• seconds > 0：在 seconds 秒后触发 SIGALRM 信号。

返回值：

• 返回之前设置的闹钟剩余秒数（若之前未设置，则返回 0）。

2. 默认行为与信号处理

• 默认行为： 当定时器到期时，进程会收到 SIGALRM 信号，默认行为是终止进程。
• 自定义处理： 可通过 signal() 或 sigaction() 注册信号处理函数，避免进程被终止。

3. 应用场景

• 超时控制： 例如等待用户输入或网络请求时设置超时。
• 周期性任务： 结合信号处理实现简单的定时器。
• 资源监控： 定时检查系统资源使用情况。

4. 代码示例

示例 1：基本超时控制

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>void timeout_handler(int sig) {printf("超时！程序已运行超过5秒\n");exit(1);
}int main() {// 注册SIGALRM信号处理函数signal(SIGALRM, timeout_handler);// 设置5秒后触发SIGALRM信号alarm(5);printf("程序开始运行，等待5秒...\n");sleep(10);  // 尝试休眠10秒，但会在5秒后被中断printf("该语句不会执行，因为进程已被信号中断\n");return 0;
}

示例 2：非阻塞超时读取用户输入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>volatile int input_received = 0;void alarm_handler(int sig) {printf("\n超时！请加快输入\n");input_received = 1;
}int main() {char buffer[100];// 注册信号处理函数signal(SIGALRM, alarm_handler);// 设置3秒超时alarm(3);printf("请在3秒内输入内容：");fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);// 取消闹钟（如果用户在超时前输入）alarm(0);if (!input_received) {printf("你输入了：%s", buffer);}return 0;
}

示例 3：实现周期性任务

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void periodic_task(int sig) {printf("执行周期性任务：每秒打印一次\n");alarm(1);  // 重新设置1秒后触发
}int main() {// 注册信号处理函数signal(SIGALRM, periodic_task);// 启动第一个闹钟alarm(1);printf("程序运行中，按Ctrl+C终止...\n");while (1) {// 主循环保持程序运行pause();  // 等待信号}return 0;
}

5. 注意事项
   1. 每个进程只能有一个闹钟：多次调用 alarm() 会覆盖之前的设置。
   2. 时间精度有限：alarm() 基于秒级计时，不适合毫秒级精度场景。
   3. 信号处理函数应简洁：避免在信号处理函数中执行复杂操作，可能导致重入问题。
   4. 与 sleep() 冲突：alarm() 会中断 sleep()、pause() 等系统调用。

2.4.2 如何简单快速理解系统闹钟

系统闹钟，其实本质是OS必须自身具有定时功能，并能让用户设置这种定时功能，才可能实现闹钟这样的技术。

现代Linux是提供了定时功能的，定时器也要被管理：先描述，在组织。内核中的定时器数据结构是：

#include <linux/timer.h>struct timer_list {struct list_head entry;    // 内核链表结构unsigned long expires;     // 到期时间（jiffies）struct tvec_base *base;    // 内部使用的定时器基数void (*function)(unsigned long);  // 回调函数unsigned long data;        // 传递给回调函数的参数int slack;                 // 定时器执行的松弛时间// ...其他字段（内核版本不同可能有差异）
};

操作系统管理定时器，采用的是时间轮的做法。
核心原理：将时间划分为固定槽位，每个槽存储到期时间相同的定时器。指针随时间移动，到期时触发对应槽的定时器。

这里就简单提一下，感兴趣的自己去了解一下。如果难以理解，你就将它理解为一个时间轴，谁的过期时间更近那么就先调度谁。

2.5 硬件异常产生信号

2.5.1 常见的硬件异常信号

SIGSEGV（段错误，信号 11）

• 触发原因： 进程访问未分配给它的内存（如空指针解引用、数组越界）。
• 硬件机制： MMU（内存管理单元）检测到非法地址，触发页错误（Page Fault）。
• 示例场景：

int *ptr = NULL;
*ptr = 10;  // 触发SIGSEGV

SIGFPE（浮点异常，信号 8）

• 触发原因： 数学运算错误（如除零、溢出）。
• 硬件机制： CPU 的浮点运算单元（FPU）检测到错误。
• 示例场景：

int a = 1 / 0;  // 触发SIGFPE（整数除零）
double b = 1.0 / 0.0;  // 可能触发（取决于编译器和硬件）

SIGILL（非法指令，信号 4）

• 触发原因： CPU 执行了无效指令（如未实现的指令、错误的操作码）。
• 硬件机制： 指令解码器检测到非法指令。
• 示例场景：

// 手动构造非法指令（示例仅示意，实际不可执行）
unsigned char code[] = {0xFF, 0xFF, 0xFF};  // 无效操作码
((void (*)())code)();  // 触发SIGILL

SIGBUS（总线错误，信号 7）

• 触发原因： 硬件访问错误（如未对齐内存访问、物理内存损坏）。
• 硬件机制： 内存总线检测到错误。
• 示例场景：

// 在某些架构上，访问未对齐的内存可能触发SIGBUS
struct {int a;char b;
} __attribute__((packed)) s;
int *p = (int*)&s.b;  // 未对齐的指针
*p = 10;  // 可能触发SIGBUS

2.5.2 硬件异常的处理流程

• 异常发生：CPU 执行指令时检测到错误（如除零、无效内存访问）。
• 硬件中断：CPU 切换到内核模式，执行对应的中断处理程序。
• 信号生成：内核识别异常类型，构造对应的信号（如SIGSEGV）。
• 信号传递：内核将信号添加到目标进程的未决信号队列。
• 进程响应：
  • 默认行为：终止进程，生成核心转储文件（core dump）。
  • 自定义处理：若进程通过signal()或sigaction()注册了处理函数，则执行该函数。

2.5.3 调试硬件异常信号

子进程退出 core dump

核心转储文件（core dump）

• 作用：保存进程崩溃时的内存状态，用于事后分析。
• 启用方法：

ulimit -c unlimited  # 允许生成core文件

• 分析工具：

gdb ./program core  # 用GDB加载程序和core文件

GDB 调试技巧

# 设置信号处理方式（捕获但不终止）
(gdb) handle SIGSEGV nostop print# 运行程序直到崩溃
(gdb) run# 查看堆栈跟踪
(gdb) backtrace# 查看变量值
(gdb) print variable

三、保存信号

3.1 信号其他相关常见概念

• 实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)
• 信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决(Pending)。
• 进程可以选择阻塞(Block)某个信号。
• 被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。
• 注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

3.2 在内核中的表示

示意图：

task_struct 中的信号字段
每个进程的描述符（task_struct）包含以下信号相关字段：

struct task_struct {// 信号掩码（当前阻塞的信号）sigset_t blocked;// 未决信号（pending）struct signal_struct *signal;// 信号处理函数表struct k_sigaction ksigaction[_NSIG];// 其他字段...
};

signal_struct 结构

struct signal_struct {atomic_t count;                 // 引用计数struct sigpending pending;      // 未决信号队列spinlock_t siglock;             // 保护锁struct sigaction action[_NSIG]; // 用户空间信号处理函数// 其他字段...
};

sigpending 结构

struct sigpending {struct list_head list;  // 未决信号链表sigset_t signal;        // 未决信号位图
};

信号处理流程

1. 信号产生：内核 / 其他进程通过系统调用（如 kill() ）发送信号，标记 pending 对应位为 1。
2. 检查阻塞：进程调度或从内核态返回用户态时，检查 block，若信号被阻塞（block=1 ），则跳过处理，维持 pending=1；若未阻塞（block=0 ），进入下一步。
3. 执行处理动作：根据 handler 配置，执行默认动作（SIG_DFL ）、忽略（SIG_IGN ）或自定义函数（sighandler ），处理后清零 pending 对应位。

3.3 sigset_t（信号集）

sigset_t 本质上是一个 位图（Bitmap），每个位对应一个信号编号：

• 位数：通常为 64 位（对应 64 个信号）。
• 实现：内核中定义为 unsigned long 数组：

typedef struct {unsigned long sig[_NSIG_WORDS];  // _NSIG_WORDS 通常为 2（64位系统）
} sigset_t;

信号表示

• 若信号集中包含信号 sig，则对应位被置为 1。
• 例如：信号集包含 SIGINT（2），则第 2 位为 1。

3.4 信号集操作函数

初始化与修改

#include <signal.h>// 清空信号集（所有位设为 0）
int sigemptyset(sigset_t *set);// 填充信号集（所有位设为 1）
int sigfillset(sigset_t *set);// 添加信号到集合
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);// 从集合中移除信号
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);// 检查信号是否在集合中
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

信号掩码操作

// 设置当前进程的信号掩码（阻塞/解除阻塞信号）
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

• how 参数：
  • SIG_BLOCK：添加 set 中的信号到当前掩码（阻塞这些信号）。
  • SIG_UNBLOCK：从当前掩码中移除 set 中的信号（解除阻塞）。
  • SIG_SETMASK：用 set 替换当前掩码。

3.4.1 sigprocmask

函数原型

#include <signal.h>int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

参数说明

• how：操作类型，可选值：
  • SIG_BLOCK：将 set 中的信号添加到当前掩码（阻塞这些信号）。
  • SIG_UNBLOCK：从当前掩码中移除 set 中的信号（解除阻塞）。
  • SIG_SETMASK：用 set 完全替换当前掩码。
• set：信号集指针，指定要操作的信号。若为 NULL，则不修改掩码，仅获取当前掩码到 oldset。
• oldset：用于保存修改前的信号掩码（若不为 NULL），可用于后续恢复。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno（如 EFAULT、EINVAL）。

信号掩码与未决信号

信号掩码（Signal Mask）

• 本质是一个位图，每位对应一个信号（如 SIGINT、SIGTERM）。
• 被掩码标记的信号不会被进程接收，而是进入 未决状态（Pending）。

未决信号（Pending Signals）

• 已产生但被阻塞的信号会暂存到进程的未决队列。
• 掩码解除后，未决信号会被立即处理（非实时信号可能合并，实时信号支持排队）。

总结

pending信号集记录已生成但未处理的信号，阻塞信号集决定哪些信号会被延迟处理。当信号产生时：

1. 若阻塞信号集对应位为0（未阻塞），无论pending集状态如何，信号都会被立即递送
2. 若阻塞信号集对应位为1（阻塞），信号会被加入pending集（pending位设为1），保持未决状态

当进程通过sigprocmask()解除信号阻塞（将阻塞位设为0）后：

• 内核检查pending集
• 若对应信号位为1（存在未决信号）
• 在下次进程从内核态返回用户态的执行上下文中
• 该信号会被递送处理

关键点说明

1. 递送时机：信号处理发生在进程从内核态返回用户态时，这是Linux信号设计的核心机制
   • 系统调用返回时
   • 硬件中断处理完成后
   • 进程上下文切换时
2. 特殊情形：
   • 连续多次阻塞同一信号：只有第一次会进入pending（标准信号）
   • SIGKILL和SIGSTOP不能被阻塞
   • 实时信号（RT信号）会排队，不丢失（FIFO）

3.4.2 sigpending

函数原型

#include <signal.h>int sigpending(sigset_t *set);

参数

• set：指向 sigset_t 类型的指针，用于存储当前未决信号集合。

返回值：

• 成功：返回 0，并将未决信号集复制到 set 中。
• 失败：返回 -1，并设置 errno（通常为 EFAULT，表示 set 指针无效）。

四、捕获信号

4.1 信号捕捉的流程

信号捕捉时，进程执行主控制流遇中断、异常或系统调用进入内核态；内核处理完相关事务准备回用户态前，经 do_signal() 检查当前进程可递送信号，若为自定义处理函数的信号，内核保存进程主控制流上下文，让 CPU 跳转到用户态执行信号处理函数；处理函数返回时借 sigreturn 再次陷入内核，内核通过 sys_sigreturn 恢复进程之前保存的主控制流上下文，最终进程回到用户态，从主控制流上次被中断处继续执行 ，实现异步信号的 “中断 - 处理 - 恢复” 流程，保障主逻辑被打断后可无缝续行。

这条水平线就是用户层代码和内核底层逻辑的 “分界线”，程序在不同权限、功能区域执行时，会以此为界完成切换，是理解信号处理中用户态与内核态交互的基础标识。

4.2 sigaction

函数原型

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

参数：

• signum：要操作的信号编号（如 SIGINT、SIGTERM、SIGCHLD 等 ，SIGKILL、SIGSTOP 这类内核强制处理的信号无法通过它修改行为 ）。
• act：指向 struct sigaction 结构体的指针，**设置新的信号处理行为 **。若为 NULL，则不修改信号行为，仅用于查询。
• oldact：指向 struct sigaction 结构体的指针，用于保存信号原来的处理行为 。若为 NULL，则不保存。

返回值：

• 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno（如信号编号无效、指针参数非法等）。

功能：
允许进程设置、查询特定信号的处理逻辑，定义进程收到信号时应执行的操作，比如：

• 捕获信号并执行自定义处理函数（如程序崩溃时记录日志）。
• 恢复信号的默认行为（如让 SIGINT 恢复 “终止进程” 的默认动作 ）。
• 忽略特定信号（如忽略 SIGCHLD 避免子进程变成僵尸进程的场景优化 ）。

4.3 操作系统是怎么运行的

4.3.1 硬件中断

• 中断向量表就是操作系统的一部分，启动就加载到内存中了
• 通过外部硬件中断，操作系统就不需要对外设进行任何周期性的检测或者轮询
• 由外部设备触发的，中断系统运行流程，叫做硬件中断

4.3.2 时钟中断

问题:

• 进程可以在操作系统的指挥下，被调度，被执行，那么操作系统自己被谁指挥，被谁推动执行呢？
• 外部设备可以触发硬件中断，但是这个是需要用户或者设备自己触发，有没有自己可以定期触发的设备？
  

答：

• 操作系统的执行依赖于硬件引导流程与中断驱动机制，本质是 “被动响应事件” 的系统，而非被外部实体 “指挥”。
• 定时器设备通过周期性中断为操作系统提供时间基准，是实现进程调度、时间管理的核心硬件基础，其作用如同系统的 “心跳”。理解这两点，有助于深入掌握计算机系统的底层运行逻辑。

这样操作系统就能在硬件的推动下，自动调度了。

4.3.3 死循环

如果是这样，操作系统不就可以躺平了吗？对，操作系统自己不做任何事情，需要什么功能，就向中断向量表里面添加方法即可。操作系统的本质：就是一个死循环！

• 这样，操作系统，就可以在硬件时钟的推动下，自动调度了。
• 所以，什么是时间片？CPU为什么会有主频？为什么主频越快，CPU越快？

答：

• 时间片是多任务系统分配 CPU 时间的基本单位，决定了进程切换的粒度。
• 主频是 CPU 每秒的时钟周期数，直接影响指令执行的理论上限（每秒指令数 = 主频 / CPI（指令周期））。
• 主频越快 CPU 越快的前提是 CPI 不变，但实际性能还受架构、缓存、指令集等因素影响。

4.3.4 软中断

• 上述外部硬件中断，需要硬件设备触发。
• 有没有可能，因为软件原因，也触发上面的逻辑？有！
• 为了让操作系统支持进行系统调用，CPU也设计了对应的汇编指令(int或者syscall)，可以让CPU内部触发中断逻辑。

所以：

问题：

• 用户层怎么把系统调用号给操作系统？-寄存器（比如EAX)
• 操作系统怎么把返回值给用户？-寄存器或者用户传入的缓冲区地址
• 系统调用的过程，其实就是先intOx80、syscall陷入内核，本质就是触发软中断，CPU就会自动执行系统调用的处理方法，而这个方法会根据系统调用号，自动查表，执行对应的方法
• 系统调用号的本质：数组下标！
• 可是为什么我们用的系统调用，从来没有见过什么intOx80或者syscall呢？都是直接调用上层的函数的啊？
• 那是因为Linux的 gnu C 标准库，给我们把几乎所有的系统调用全部封装了。

4.3.5 缺页中断？内存碎片处理？除零野指针错误?

• 缺页中断？内存碎片处理？除零野指针错误？这些问题，全部都会被转换成为CPU内部的软中断，然后走中断处理例程，完成所有处理。有的是进行申请内存，填充页表，进行映射的。有的是用来处理内存碎片的，有的是用来给目标进行发送信号，杀掉进程等等。

所以:

• 操作系统就是躺在中断处理例程上的代码块！
• CPU内部的软中断，比如int 0x80或者syscall，我们叫做陷阱
• CPU内部的软中断，比如除零/野指针等，我们叫做异常。（所以，能理解“缺页异常”为什么这么叫了吗？）

4.4 如何理解内核态和用户态

结论：

• 操作系统无论怎么切换进程，都能找到同一个操作系统！换句话说系统调用的内核代码在共享的内核地址空间执行，但会访问当前进程的用户地址空间资源，并使用该进程的内核栈！
• 关于特权级别，涉及到段，段描述符，段选择子，DPL，CPL，RPL等概念，而现在芯片为了保证兼容性，已经非常复杂了，进而导致OS也必须得照顾它的复杂性，这块我们不做深究了。
• 用户态就是执行用户[0,3]GB时所处的状态
• 内核态就是执行内核[3,4]GB时所处的状态
• 区分就是按照CPU内的CPL决定，CPL的全称是Current PrivilegeLevel，即当前特权级别。
• 一般执行int0x80或者syscall软中断，CPL会在校验之后自动变更

五、可重入函数

5.1 什么是可重入函数？

可重入函数是指在多个执行流同时调用时不会产生副作用的函数。其核心特点是：

• 线程安全：在多线程环境下被并发调用时，不会因共享资源（如全局变量）导致数据竞争。
• 信号安全：在信号处理函数中被调用时，不会破坏程序状态（如正在执行的操作被中断）。

5.2 不可重入的典型场景与风险

不可重入函数在多线程或信号处理中可能引发以下问题：

1. 全局变量或静态变量污染

// 不可重入函数示例：依赖全局变量
int total = 0;
int add_to_total(int value) {total += value;  // 多线程访问时可能导致数据竞争return total;
}

风险：若两个线程同时调用add_to_total，可能因线程切换导致计算错误（如两个线程各加 1，但结果只加了 1）。

2. 标准库函数的不可重入性
   许多标准库函数依赖静态缓冲区或状态，如：

• strtok()：使用静态指针保存分割位置。
• gmtime()/localtime()：返回静态缓冲区的指针。

示例：

// 不可重入函数示例：使用静态缓冲区
char* format_time(void) {time_t now = time(NULL);return ctime(&now);  // ctime()返回静态缓冲区，多线程调用会覆盖结果
}

3. 信号处理中的不可重入风险
   若信号处理函数调用不可重入函数，可能导致：

• 主程序正在执行的操作被中断，数据结构被破坏。
• 信号处理函数与主程序同时修改共享资源，引发竞态条件。

5.3 可重入函数的设计原则

1. 避免共享资源
   • 不使用全局变量或静态变量。
   • 若必须使用，通过互斥锁（如pthread_mutex_t）保护。
2. 使用局部变量和栈
   所有数据存储在栈上（如函数参数、局部变量），每个调用独立拥有副本。
3. 避免调用不可重入函数
   例如：
   • 用strtok_r()替代strtok()（带_r后缀的通常是可重入版本）。
   • 用gmtime_r()替代gmtime()。

5.4 可重入函数的实现示例

// 可重入版本：使用线程局部存储（TLS）
#include <pthread.h>// 线程局部变量，每个线程独立拥有副本
__thread int thread_total = 0;int add_to_total(int value) {thread_total += value;  // 线程安全：每个线程使用自己的副本return thread_total;
}// 可重入版本：使用互斥锁保护全局变量
#include <pthread.h>int global_total = 0;
pthread_mutex_t total_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;int add_to_total_safe(int value) {pthread_mutex_lock(&total_mutex);  // 加锁global_total += value;pthread_mutex_unlock(&total_mutex);  // 解锁return global_total;
}

5.5 五、信号处理中的可重入性

在信号处理函数中，仅能调用可重入函数（如write()、_exit()），避免调用：

• 标准 IO 函数（如printf()、fprintf()）。
• 内存分配函数（如malloc()、free()）。
• 浮点运算函数（如sin()、cos()）。

六、volatile

6.1 volatile 的本质与作用

volatile是 C/C++ 中的一个类型修饰符，用于告诉编译器：

• 不要对变量进行优化（如缓存到寄存器或重排序）。
• 每次访问变量时都直接从内存读取，写入时立即刷新到内存。

其核心作用是确保变量的访问与物理内存直接交互，而非编译器的临时缓存。

6.2 信号处理函数中的全局变量

• 场景：在信号处理函数中修改主程序使用的全局变量。
• 原因：信号可能在任意时刻触发，编译器不能假设变量不变。
• 示例：

volatile sig_atomic_t signal_received = 0;void signal_handler(int signo) {signal_received = 1;  // 原子操作，确保可见性
}int main() {signal(SIGINT, signal_handler);while (!signal_received) {  // 每次检查都从内存读取// 主程序工作...}return 0;
}

七、SIGCHLD 信号：Linux 进程管理的 “子进程通知机制”

7.1 SIGCHLD 信号的本质与作用

SIGCHLD（信号编号 17）是 Linux 系统中由内核自动发送给父进程的信号，用于通知以下事件：

• 子进程终止（正常退出或被信号终止）。
• 子进程暂停（如收到 SIGSTOP 信号）。
• 子进程恢复（如收到 SIGCONT 信号）。

其核心作用是让父进程能够异步处理子进程状态变化，避免父进程持续轮询（如通过wait()阻塞等待）。

7.2 SIGCHLD 的默认行为与问题

• 默认行为：忽略（进程收到信号后无动作）。
• 潜在问题：若父进程未处理 SIGCHLD，子进程终止后会变成僵尸进程（Zombie Process），占用系统资源（如进程表项）。

7.3 处理 SIGCHLD 的三种方式

1. 忽略信号（最简单但有风险）

// 忽略SIGCHLD信号，子进程终止后直接释放资源
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 或使用sigaction// 子进程代码
if (fork() == 0) {// 子进程执行...exit(0);  // 退出后不会变成僵尸进程
}

注意：Linux 中忽略 SIGCHLD 会让内核自动回收子进程资源，但某些 UNIX 系统可能不支持，建议使用方式 2 或 3。

2. 捕获信号并调用 wait ()/waitpid ()

#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void sigchld_handler(int signo) {int status;// 非阻塞等待所有子进程，避免wait()阻塞while (waitpid(-1, &status, WNOHANG) > 0) {// 处理子进程退出状态if (WIFEXITED(status)) {printf("子进程正常退出，状态码: %d\n", WEXITSTATUS(status));} else if (WIFSIGNALED(status)) {printf("子进程被信号终止，信号: %d\n", WTERMSIG(status));}}
}int main() {// 注册信号处理函数struct sigaction sa;sa.sa_handler = sigchld_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;  // SA_NOCLDSTOP忽略暂停/恢复信号sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);// 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程执行...sleep(2);exit(42);}// 父进程继续执行...return 0;
}

关键点：

• 使用waitpid(-1, &status, WNOHANG)非阻塞回收多个子进程。
• SA_RESTART标志避免系统调用被信号中断。
• SA_NOCLDSTOP忽略子进程暂停 / 恢复事件，仅关注终止。

3. 使用 sigaction 的 SA_NOCLDWAIT 标志（现代方式）

struct sigaction sa;
sa.sa_handler = SIG_IGN;  // 或自定义处理函数
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags = SA_NOCLDWAIT;  // 内核自动回收子进程，不产生僵尸
sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);

优势：内核自动释放子进程资源，无需手动调用wait()。

7.4 调试与监控

查看僵尸进程：

ps aux | grep Z  # 显示状态为Z的僵尸进程

跟踪信号处理：

strace -e signal your_program  # 跟踪信号处理系统调用

7.5 常见误区与注意事项

1. 竞态条件
   若父进程未捕获 SIGCHLD，可能导致：
   • 子进程已终止，但父进程未及时回收，变成僵尸。
   • 父进程调用wait()时，子进程尚未终止，导致阻塞。
2. 信号丢失
   非实时信号（如 SIGCHLD）不排队，若多个子进程同时终止，可能只收到一个信号。需在处理函数中循环调用waitpid()回收所有子进程。
3. 与 fork ()/exec () 的关系
   • fork()创建的子进程继承父进程的 SIGCHLD 处理方式。
   • exec()后，子进程保留 SIGCHLD 的处理方式（除非设置了SA_RESETHAND）。

7.6 总结

• SIGCHLD 的核心价值：
  提供异步机制让父进程感知子进程状态变化，避免轮询或阻塞等待。
• 最佳实践：
  • 优先使用SA_NOCLDWAIT自动回收子进程。
  • 若需获取子进程状态，在信号处理函数中循环调用waitpid()。
• 应用场景：
  • 守护进程（如 init 进程管理所有子进程）。
  • 多进程服务器（如 Web 服务器 fork 子进程处理请求）。