Linux信号机制：从入门到精通
嘿，小伙伴们！今天我要和大家聊一个Linux系统中非常有趣又重要的话题——信号机制。别担心，虽然信号听起来有点高深，但我会用最通俗易懂的语言，配合清晰的图表，带你彻底搞懂这个概念！
什么是信号？
想象一下，如果你正在专心写代码，突然有人拍了一下你的肩膀，这就类似于操作系统中的"信号"。信号是Linux系统中用于通知进程发生了某种事件的一种异步通信机制，就像操作系统给进程发送的"紧急短信"。
信号的本质是软件中断，当进程收到信号后，会暂停当前工作，转而去处理这个信号，处理完后再回到原来的工作。这就像你接到一个紧急电话，处理完紧急事务后再回到之前的工作一样。
为什么需要信号？
在Linux系统中，信号主要用于以下几个场景：
- 错误处理：当程序出现严重错误（如除零、非法内存访问）时，系统会发送相应信号
- 终止进程：用户可以通过按下Ctrl+C发送SIGINT信号来终止前台进程
- 进程间通信：一个进程可以通过信号通知另一个进程发生了某事
- 定时器功能：通过SIGALRM信号实现定时器功能
- 状态变化通知：如子进程终止时，父进程会收到SIGCHLD信号
Linux信号的种类
Linux系统定义了多种信号，每种信号都有特定的用途。以下是一些常见的信号：
| 信号名称 | 信号值 | 默认动作 | 描述 |
|---|---|---|---|
| SIGHUP | 1 | 终止 | 终端断开连接 |
| SIGINT | 2 | 终止 | 键盘中断（Ctrl+C） |
| SIGQUIT | 3 | 终止 + core | 键盘退出（Ctrl+\） |
| SIGILL | 4 | 终止 + core | 非法指令 |
| SIGTRAP | 5 | 终止 + core | 断点陷阱 |
| SIGABRT | 6 | 终止 + core | 调用 abort 函数 |
| SIGFPE | 8 | 终止 + core | 浮点异常 |
| SIGKILL | 9 | 终止 | 强制终止（不可捕获） |
| SIGSEGV | 11 | 终止 + core | 段错误（无效内存引用） |
| SIGPIPE | 13 | 终止 | 管道破裂 |
| SIGALRM | 14 | 终止 | 定时器到期 |
| SIGTERM | 15 | 终止 | 终止信号（kill 命令默认） |
| SIGUSR1 | 10 | 终止 | 用户自定义信号 1 |
| SIGUSR2 | 12 | 终止 | 用户自定义信号 2 |
| SIGCHLD | 17 | 忽略 | 子进程状态改变 |
| SIGCONT | 18 | 继续 | 继续执行被停止的进程 |
| SIGSTOP | 19 | 停止 | 停止进程（不可捕获） |
| SIGTSTP | 20 | 停止 | 键盘停止（Ctrl+Z） |
信号的生命周期
信号的生命周期包括三个阶段：产生、未决和处理。
1. 信号的产生
信号可以通过多种方式产生：
2. 信号的未决状态
当信号产生后，会进入未决状态，等待被处理。如果此时该信号被阻塞（blocked），则会保持未决状态，直到解除阻塞。
3. 信号的处理
当信号递达（delivered）到进程后，进程会根据信号处理方式来响应：
- 默认处理：每个信号都有默认动作，如终止进程、忽略信号等
- 忽略信号：进程可以选择忽略某些信号（但SIGKILL和SIGSTOP不能被忽略）
- 捕获信号：进程可以注册自定义的信号处理函数
信号处理的编程实践
注册信号处理函数
在C/C++中，我们可以使用signal()或更强大的sigaction()函数来注册信号处理函数：
#include <signal.h>// 信号处理函数void signal_handler(int signum) {printf("捕获到信号 %d\n", signum);// 处理信号的代码}int main() {// 注册SIGINT信号的处理函数signal(SIGINT, signal_handler);// 程序主循环while(1) {printf("程序运行中...\n");sleep(1);}return 0;}使用sigaction()函数（推荐）
sigaction()比signal()更强大，提供了更多控制选项：
#include <signal.h>void signal_handler(int signum) {printf("捕获到信号 %d\n", signum);}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = signal_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask); // 清空信号集sa.sa_flags = 0;// 注册SIGINT信号的处理函数sigaction(SIGINT, &sa, NULL);while(1) {printf("程序运行中...\n");sleep(1);}return 0;}发送信号
进程可以使用kill()函数向其他进程发送信号：
#include <signal.h>#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid = 1234; // 目标进程ID// 向进程发送SIGTERM信号kill(pid, SIGTERM);return 0;}信号传递流程图：
信号集操作
信号集是一组信号的集合，可以用来表示要阻塞的信号。Linux提供了一系列函数来操作信号集：
#include <signal.h>int main() {sigset_t set;// 初始化信号集sigemptyset(&set); // 清空信号集// 添加信号到集合sigaddset(&set, SIGINT);sigaddset(&set, SIGTERM);// 阻塞这些信号sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);// ... 执行不想被这些信号打断的代码 ...// 解除阻塞sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);return 0;}实际应用场景
1. 优雅地退出程序
当用户按下Ctrl+C时，我们可能需要先清理资源再退出：
#include <signal.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>volatile sig_atomic_t keep_running = 1;void cleanup_and_exit() {printf("清理资源...\n");// 关闭文件、释放内存等清理操作printf("清理完成，退出程序\n");}void handle_sigint(int sig) {printf("\n捕获到SIGINT信号\n");keep_running = 0;}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = handle_sigint;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGINT, &sa, NULL);printf("程序开始运行，按Ctrl+C退出\n");while (keep_running) {printf("工作中...\n");sleep(1);}cleanup_and_exit();return 0;}2. 父进程监控子进程
父进程可以通过SIGCHLD信号来监控子进程的状态变化：
#include <signal.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>void handle_sigchld(int sig) {int status;pid_t pid;// 非阻塞方式等待任何子进程while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {if (WIFEXITED(status)) {printf("子进程 %d 正常退出，退出码: %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));} else if (WIFSIGNALED(status)) {printf("子进程 %d 被信号 %d 终止\n", pid, WTERMSIG(status));}}}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = handle_sigchld;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART;sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);// 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork");exit(1);} else if (pid == 0) {// 子进程printf("子进程 %d 开始运行\n", getpid());sleep(2);printf("子进程 %d 结束运行\n", getpid());exit(42);} else {// 父进程printf("父进程 %d 创建了子进程 %d\n", getpid(), pid);// 父进程继续执行其他工作for (int i = 0; i < 5; i++) {printf("父进程工作中...\n");sleep(1);}}return 0;}3. 使用定时器
通过SIGALRM信号实现定时功能：
#include <signal.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>void handle_alarm(int sig) {printf("时间到！\n");}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = handle_alarm;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);printf("设置3秒定时器...\n");alarm(3);printf("等待定时器...\n");pause(); // 暂停直到收到信号printf("继续执行\n");return 0;}信号处理的注意事项
- 信号处理函数应该尽量简单：因为信号处理函数可能在任何时候被调用，所以应该避免复杂操作。
- 不可重入函数：在信号处理函数中应避免调用不可重入函数（如malloc、printf等），可能导致不可预测的行为。
- 全局变量访问：如果在信号处理函数和主程序之间共享变量，应声明为volatile sig_atomic_t类型，确保原子访问。
- SIGKILL和SIGSTOP：这两个信号不能被捕获、阻塞或忽略，始终执行默认动作。
- 信号丢失：如果同一信号多次发送，而进程还没来得及处理，通常只会记录一次，可能导致信号丢失。
信号与多线程
在多线程程序中，信号处理变得更加复杂：
- 信号会被发送到进程中的任一线程，由系统选择
- 可以使用pthread_sigmask()函数来设置线程的信号掩码
- 可以使用sigwait()函数来专门处理信号的线程
#include <signal.h>#include <pthread.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>void* signal_thread(void* arg) {sigset_t* set = (sigset_t*)arg;int sig;while (1) {// 等待信号sigwait(set, &sig);printf("收到信号 %d\n", sig);if (sig == SIGINT) {printf("处理SIGINT信号\n");} else if (sig == SIGTERM) {printf("处理SIGTERM信号，准备退出\n");break;}}return NULL;}int main() {sigset_t set;pthread_t thread;// 初始化信号集sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGINT);sigaddset(&set, SIGTERM);// 在主线程中阻塞这些信号pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);// 创建专门处理信号的线程pthread_create(&thread, NULL, signal_thread, &set);printf("主线程运行中，按Ctrl+C发送SIGINT，kill -15 %d发送SIGTERM\n", getpid());// 主线程继续工作while (1) {printf("主线程工作中...\n");sleep(1);}pthread_join(thread, NULL);return 0;}小结
信号是Linux系统中一种重要的进程间通信机制，虽然功能相对简单（只能传递信号类型，不能传递额外数据），但在系统编程中有着广泛的应用。掌握信号处理，对于编写健壮的Linux程序至关重要。
信号机制看似简单，实则暗藏玄机，特别是在多线程环境下。作为一名C++开发工程师，我建议大家在实际项目中谨慎使用信号，遵循最佳实践，避免常见陷阱。
希望这篇文章能帮助你理解Linux信号机制！如果有问题，欢迎在评论区留言交流~