【Linux内核】Linux信号机制

Linux 信号机制的底层原理是内核通过中断式通知实现进程间 / 内核与进程间的事件传递，本质是对 “异常事件” 的异步处理机制。其核心流程涉及信号的产生、在内核中的管理、向进程的递送，以及进程对信号的处理四个阶段，底层依赖 CPU 中断、进程上下文切换和内核数据结构的协作。

信号可以理解为 “软件层面的中断”，信号则是内核或其他进程通过 “软件指令” 通知目标进程 “发生了特定事件”，迫使进程暂停当前操作，优先处理信号。例如用户按下Ctrl+C时，终端驱动会向进程发送SIGINT信号，内核会暂停进程的正常执行，转去执行SIGINT对应的处理逻辑（默认是终止进程）

信号的生命周期

信号的底层运作可拆解为四个关键阶段，每个阶段依赖内核的特定机制和数据结构

1. 信号的产生（信号源触发）
   信号由 “信号源” 触发，触发后并不会直接递送给进程，而是先由内核 “暂存”。常见的信号源及触发机制如下：

• 用户输入：如Ctrl+C（SIGINT），由终端驱动程序检测到按键后，通过系统调用通知内核产生对应信号。
• 进程主动发送：其他进程通过kill()、raise()等系统调用发送信号（如kill -9 ），内核会根据调用参数生成目标信号。
• 硬件异常：如进程访问无效内存（SIGSEGV）、除以零（SIGFPE），由 CPU 检测到异常后触发 “陷阱（Trap）”，内核捕获陷阱后生成对应信号。
• 内核主动触发：如定时器到期（SIGALRM）、管道破裂（SIGPIPE）、子进程退出（SIGCHLD），由内核在特定事件发生时主动生成信号。

2. 信号的内核管理：“pending” 状态与进程控制块（PCB）

信号产生后，内核并不会立即 “叫醒” 进程处理，而是先将信号标记为 “待处理（pending）”，存放在进程的进程控制块（PCB，即task_struct结构体） 中。每个进程的task_struct（内核中描述进程的核心数据结构）有两个关键字段用于管理信号：

• sigset_t pending：“待处理信号集”，用位图（bitmask）表示（每个 bit 对应一个信号，如 bit15 对应SIGTERM），bit 置 1 表示信号已产生但未被处理。
• sigset_t blocked：“阻塞信号集”，同样是位图，bit 置 1 表示该信号被进程暂时 “屏蔽”（即使已 pending，也不会被递送，直到阻塞解除）

这意味着，若进程阻塞了SIGINT（blocked的 bit2 置 1），此时用户按下Ctrl+C，内核会将pending的 bit2 置 1，但不会立即递送给进程，直到进程解除对SIGINT的阻塞。

3. 信号的递送：进程从 “用户态” 切换到 “内核态” 时触发
   信号不会 “主动打断” 进程的执行，而是在进程从用户态切换到内核态后，返回用户态前被内核 “检查并递送”。这是因为进程在用户态执行时，内核无法直接干预，只有当进程因系统调用、中断、异常等进入内核态后，内核才有机会处理信号。在进程准备从内核态返回用户态前，内核会检查该进程的pending信号集：

• 若没有未处理的信号（或信号被blocked），直接返回用户态，继续执行进程原代码。
• 若有未被阻塞的pending信号，内核会 “递送” 该信号：从pending中清除该信号（bit 置 0），然后执行信号对应的处理逻辑。

内核对信号的管理

Linux的进程控制块task_struct中，struct sighand_struct 结构体用于存储信号处理表，而struct sigaction 是 Linux 系统中用于注册和配置信号处理方式的核心数据结构，负责设定处理信号的函数和处理信号的时候需要屏蔽的信号集合。

struct sigaction {void (*sa_handler)(int);  // 处理信号的函数sigset_t sa_mask;         // 处理信号时需要屏蔽的信号集int sa_flags;             // 额外的行为控制标志
};

在进程的 task_struct 结构中，信号处理信息存储在：

struct task_struct {...struct signal_struct *signal;   // 进程共享的信号状态，用于同一个线程组内的信号共享struct sighand_struct *sighand; // 信号处理表...
};

sighand 指向 信号处理表，其中存储了 所有信号的处理方式。

Linux信号合集

Linux中的信号分为标准信号和实时信号，标准信号是 Linux 从早期 UNIX 继承的传统信号，编号为 1~31（SIGRTMIN之前，通常SIGRTMIN=34），用于处理常见的系统事件和错误。实时信号是 POSIX 标准引入的扩展信号，编号从 SIGRTMIN（通常 34）到SIGRTMAX（通常 64），用于处理需要可靠传递的事件（如实时系统中的设备通知、进程间高优先级通信）。他们最主要的区别如下：

每个信号都有一个唯一的编号和默认行为，进程通常用SIG前缀标识。以下是一些常见的Linux信号及其含义：

1. 常用基础信号

信号名称	编号	含义与典型场景	默认行为
SIGTERM	15	终止信号：最常用的“礼貌”终止进程的信号，允许进程清理资源后退出。 例如：kill <进程ID> 默认发送此信号。	终止进程
SIGKILL	9	强制终止信号：无法被进程捕获、阻塞或忽略，直接用于	立即
SIGINT	2	中断信号：用户按下 Ctrl+C 时触发，请求进程中断当前操作。	终止进程
SIGQUIT	3	退出信号：用户按下 Ctrl+\ 时触发，与 SIGINT 类似，但会生成核心转储（core dump）用于调试。	终止进程并生成core dump
SIGHUP	1	挂起信号：通常在终端关闭时发送给关联进程，或用于通知进程重新加载配置（如nginx、systemd）。	终止进程（可被进程重定义为“重新加载”）

2. 进程状态相关信号

信号名称	编号	含义与典型场景	默认行为
SIGSTOP	19	暂停信号：强制进程暂停执行（类似“冻结”），无法被忽略或捕获。	暂停进程
SIGCONT	18	继续信号：恢复被 SIGSTOP 或 SIGTSTP 暂停的进程。	恢复进程执行
SIGTSTP	20	终端暂停信号：用户按下 Ctrl+Z 时触发，进程可捕获并自定义处理（如进入后台）。	暂停进程

3. 错误与异常信号

信号名称	编号	含义与典型场景	默认行为
SIGSEGV	11	段错误：进程访问无效内存地址（如空指针、越界访问）时触发。	终止进程并生成core dump
SIGILL	4	非法指令：进程执行了无效的机器指令（如损坏的二进制文件、硬件不支持的指令）。	终止进程并生成core dump
SIGFPE	8	浮点异常：数学运算错误（如除以零、浮点溢出）。	终止进程并生成core dump
SIGBUS	7	总线错误：比 SIGSEGV 更底层的内存错误（如访问未对齐的内存地址）。	终止进程并生成core dump

4. 其他常用信号

信号名称	编号	含义与典型场景	默认行为
SIGALRM	14	闹钟信号：进程通过 alarm() 或 setitimer() 设置的定时器到期时触发。	终止进程
SIGPIPE	13	管道破裂：向已关闭的管道（或Socket）写入数据时触发（如客户端断开连接后服务器仍发送数据）。	终止进程
SIGCHLD	17	子进程状态变化：子进程终止、暂停或继续时，内核发送给父进程，用于父进程回收子进程资源。	忽略（需手动处理）