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Linux 信号 (Signals)

news 2025/8/25 8:52:56

一、概念

信号是操作系统内核向用户空间进程发送的一种异步通知机制。它用于通知进程某个特定事件发生了。

1. 信号的生命周期

一个信号的处理遵循以下流程：

  1. 产生 (Generation)： 由内核、其他进程或硬件事件（如 SIGSEGV 由 MMU 产生）创建。

  2. 递送 (Delivery)： 内核将信号传递给目标进程，并促使进程采取行动。

  3. 处理 (Handling)： 目标进程收到信号后执行预定的操作。

2. 信号的来源

  • 硬件异常： 由 CPU 检测到，内核将其转换为信号发给相关进程。

    • SIGSEGV (Segmentation Fault)： 非法内存访问。

    • SIGFPE (Floating-Point Exception)： 算术错误，如除零。

    • SIGILL (Illegal Instruction)： 执行了非法指令。

  • 终端相关： 来自键盘的中断。

    • SIGINT (Interrupt)： Ctrl+C，通常终止进程。

    • SIGQUIT (Quit)： Ctrl+\，终止并生成 core dump。

    • SIGTSTP (Terminal Stop)： Ctrl+Z，暂停进程。

  • 软件事件：

    • SIGCHLD： 子进程状态改变（停止、退出）。

    • SIGPIPE： 管道破裂（读端关闭后继续写）。

    • SIGALRM： 由 alarm() 或 setitimer() 设置的定时器超时。

    • SIGUSR1, SIGUSR2： 用户自定义的信号。

  • 其他进程： 使用 kill() 系统调用发送。

3. 信号的处理方式

进程对信号的处理有三种选择：

  1. 默认动作 (Default Action)： 大多数信号的默认动作是终止进程。有些是忽略（SIGCHLD）或生成 core dump（SIGQUIT）。

  2. 忽略信号 (Ignore)： 告诉内核无需处理该信号（SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被忽略或捕获）。

  3. 捕获信号 (Catch)： 进程可以注册一个信号处理函数 (Signal Handler)，当信号到来时，内核会中断进程的正常执行流，转而执行这个函数。

4. 重要系统调用和函数

  • signal()： 简单的注册信号处理函数（已过时，可移植性差）。

  • sigaction()： 现代、标准且功能更强大的方法，用于注册信号处理函数，并能精确控制信号行为。

  • kill()： 向指定进程发送信号。

  • alarm()： 设置一个实时定时器，超时后产生 SIGALRM。

  • pause()： 挂起调用进程，直到任何信号到达。

  • 信号集操作函数： sigemptyset(), sigaddset(), sigprocmask() 等，用于管理信号掩码，阻塞或解除阻塞特定信号。

5. 信号的特点和注意事项

  • 异步性： 信号可能在进程执行的任何时刻到达。

  • 可靠性： 标准信号（1-31）是不可靠的，相同信号在处理期间再次到来可能会丢失。实时信号（34-64）是可靠的，支持排队。

  • 可重入性 (Reentrancy)： 在信号处理函数中，只能调用异步信号安全 (async-signal-safe) 的函数（如 write()，_exit()）。严禁调用 malloc(), printf() 等非安全函数，否则可能导致死锁或未定义行为。

  • 全局变量和 volatile： 信号处理函数和主程序之间通信的全局变量应声明为 volatile，防止编译器优化导致意外行为。

二、常见信号

信号可以分为以下几类：终止信号、中断/暂停信号、异常信号、作业控制信号和用户自定义信号。

1. 终止信号 (Termination Signals)

这些信号默认会导致进程终止。

信号名值默认动作描述 & 触发场景可否捕获/忽略核心转储
SIGHUP1Terminate挂起 (Hangup)。当控制终端关闭时发送给其关联的前台进程组。也常用于通知守护进程重新加载配置文件（如 nginx -s reload）。是否
SIGINT2Terminate中断 (Interrupt)。来自键盘的中断，通常由用户按下 Ctrl+C 产生。用于优雅地终止前台进程。是否
SIGQUIT3Core退出 (Quit)。来自键盘的退出，通常由用户按下 Ctrl+\ 产生。用于终止进程并生成核心转储 (core dump)，便于后续调试。是是
SIGTERM15Terminate终止 (Terminate)。这是 kill 命令的默认信号。它要求进程正常终止，允许进程进行清理工作（关闭文件、释放资源等）。是优雅关闭进程的首选方式。是否
SIGKILL9Terminate杀死 (Kill)。立即、强制终止进程。该信号不能被捕获、阻塞或忽略。进程会立刻死亡，没有机会进行任何清理。是确保进程终止的“杀手锏”，但应作为最后手段使用。否否

使用场景总结：

  • 想优雅地结束一个进程：先尝试 kill <PID> 或 kill -TERM <PID>（发送 SIGTERM）。

  • 进程不响应 SIGTERM：尝试 kill -INT <PID>（发送 SIGINT）。

  • 需要强制结束一个“顽固”进程：使用 kill -9 <PID>（发送 SIGKILL）。

  • 想让进程退出并留下调试文件：使用 kill -QUIT <PID>（发送 SIGQUIT），需确保系统允许生成 core dump（ulimit -c unlimited）。

2. 异常信号 (Exception Signals)

这些信号由 CPU 检测到异常后，由内核发送给进程。

信号名值默认动作描述 & 触发场景可否捕获/忽略核心转储
SIGILL4Core非法指令 (Illegal Instruction)。进程试图执行一条非法、格式错误、特权级别不对的CPU指令。通常由损坏的可执行文件或尝试执行数据段导致。是是
SIGTRAP5Core陷阱跟踪 (Trace Trap)。由断点指令或其他陷阱指令触发，主要用于调试器（如 gdb）实现单步执行和断点。是是
SIGABRT6Core中止 (Abort)。由进程自己调用 abort() 函数产生。表示进程检测到了致命错误并主动调用中止。C库中的 assert() 失败也会触发此信号。是是
SIGBUS7Core总线错误 (Bus Error)。无效的内存访问，但不同于 SIGSEGV。例如，访问了物理地址不存在或违反了内存对齐限制的内存（如某些架构上要求4字节对齐，但你访问了一个奇地址）。是是
SIGFPE8Core浮点异常 (Floating-Point Exception)。发生了致命的算术运算错误，如除以零、溢出、非法操作（如对负数开平方）。是是
SIGSEGV11Core段错误 (Segmentation Fault)。最常见的异常信号。表示进程尝试访问未被分配给它的虚拟内存地址，或试图以不允许的方式（如写只读内存）访问内存。通常是指针错误（空指针、野指针、缓冲区溢出）的标志。是是

3. 作业控制信号 (Job Control Signals)

这些信号用于 Shell 管理前台和后台作业。

信号名值默认动作描述 & 触发场景可否捕获/忽略
SIGSTOP17,19,23Stop停止 (Stop)。暂停进程的执行。该信号不能被捕获、阻塞或忽略。是 Ctrl+Z 的另一种实现。否
SIGTSTP18,20,24Stop终端停止 (Terminal Stop)。来自终端的停止信号，通常由用户按下 Ctrl+Z 产生。请求进程暂停运行（转入后台），允许它稍后恢复（用 fg 或 bg 命令）。是
SIGCONT19,18,25Continue继续 (Continue)。让一个被 SIGSTOP 或 SIGTSTP 暂停的进程恢复执行。即使被忽略，它也能唤醒进程。是

4.I/O 相关信号

信号核心用途处理建议
SIGPIPE处理连接断开后的写入错误忽略它 (SIG_IGN)，在代码中检查 EPIPE 错误。
SIGIO异步通知文件描述符就绪在某些设备驱动中有用，但在网络编程中优先选择 epoll。
SIGURG处理带外数据 (OOB)为需要紧急命令的应用程序设置处理函数。
SIGCHLD回收子进程资源，避免僵尸进程必须在使用 fork() 的服务器中设置处理函数，并使用 waitpid() 循环。

5. 其他重要信号

信号名值默认动作描述 & 触发场景可否捕获/忽略
SIGCHLD17,20,18Ignore子进程状态改变 (Child Status Changed)。当子进程停止、恢复或终止时，内核会向其父进程发送此信号。父进程可以在此信号处理函数中调用 wait() 或 waitpid() 来回收子进程资源，防止僵尸进程的产生。是
SIGPIPE13Terminate管道破裂 (Broken Pipe)。当进程向一个读端已关闭的管道、Socket 或 FIFO 写入数据时，内核会发送此信号。常见于网络编程中，对端关闭了连接，本方仍在写入。是
SIGALRM14Terminate闹钟信号 (Alarm Clock)。由 alarm() 或 setitimer() 设置的定时器超时后触发。常用于实现超时机制。是
SIGUSR110,30,16Terminate用户自定义信号 1 (User-Defined Signal 1)。是
SIGUSR212,31,17Terminate用户自定义信号 2 (User-Defined Signal 2)。SIGUSR1 和 SIGUSR2 没有预定义的含义，完全由应用程序自行定义其行为。常用于进程间自定义通信，例如通知守护进程切换日志文件、报告状态等。是

三、示例代码

1. SIGPIPE - 必须处理的信号

场景：你的网络服务器客户端断开连接后，服务器试图回复一个“再见”消息，导致 send() 调用触发 SIGPIPE，进程默认被终止。

解决方案：

  • 最佳实践：忽略它。直接忽略 SIGPIPE 信号，让 write() 或 send() 函数返回错误码 -1 并设置 errno 为 EPIPE。这样你可以在代码中逻辑地处理该错误，而不是让进程突然死亡。

    c

    // 在程序初始化时忽略 SIGPIPE
#include <signal.h>
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

  • 之后，你的 I/O 调用会安全地失败：

    c

    ssize_t bytes_sent = send(socket_fd, buffer, len, MSG_NOSIGNAL); // 也可以使用 MSG_NOSIGNAL 标志避免产生信号
if (bytes_sent == -1) {if (errno == EPIPE) {// 对端已经关闭，安全地关闭本地的socket并清理资源close(socket_fd);}// 处理其他错误...
}
2. SIGIO / SIGPOLL - 异步 I/O 通知

场景：你想实现一个高性能的应用程序，在没有使用 select/poll/epoll 的情况下，希望内核在文件描述符就绪时主动通知你。

解决方案：

  1. 为信号安装一个处理函数。

  2. 使用 fcntl 设置文件描述符的所有者和异步标志。

    c

    #include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>void io_handler(int sig, siginfo_t *info, void *context) {int fd = info->si_fd; // 哪个fd就绪了？int band = info->si_band; // 什么事件？(POLLIN, POLLOUT, etc.)// ... 处理I/O ...
}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_sigaction = io_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_SIGINFO; // 为了获取详细的siginfo_tsigaction(SIGIO, &sa, NULL);int fd = open("/dev/some_device", O_RDONLY);// 设置当前进程为接收SIGIO信号的进程fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());// 启用该fd的异步模式int flags = fcntl(fd, F_GETFL);fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);// ... 主循环可以做其他事，等待信号中断 ...
}

注意：在现代高性能网络中，SIGIO 已经很少用于 socket，因为 epoll 的性能和可扩展性远优于信号驱动的 I/O 模型。但它仍然在某些设备驱动（如串口、自定义硬件）中非常有用。

3. SIGURG - 处理带外数据

场景：需要通过网络发送一个紧急命令（例如，远程控制程序的“紧急停止”）。

解决方案：

  1. 捕获 SIGURG 信号。

  2. 在信号处理函数中，使用 recv() 和 MSG_OOB 标志来读取带外数据。

    c

    // 发送端
send(sockfd, "!", 1, MSG_OOB);// 接收端
void urg_handler(int sig) {char oob_data;recv(sockfd, &oob_data, 1, MSG_OOB);// 处理紧急命令
}
// ... 注册信号处理函数 ...
signal(SIGURG, urg_handler);
// 必须设置socket是它的进程所有者才能接收SIGURG
fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());
4. SIGCHLD - 管理子进程

场景：一个并发服务器使用 fork() 为每个客户端创建一个新的子进程。子进程退出后，如果不回收会成为僵尸进程。

解决方案：

c

void child_handler(int sig) {int saved_errno = errno; // 保存errno，因为waitpid可能会修改它while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) { // 使用循环和WNOHANG回收所有已退出的子进程continue;}errno = saved_errno;
}int main() {// 设置SIGCHLD处理函数struct sigaction sa;sa.sa_handler = child_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP; // SA_NOCLDSTOP: 子进程停止时不发出信号sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);while(1) {// ... accept 连接 ...pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程处理逻辑exit(0);}// 父进程继续循环}
}

http://www.dtcms.com/a/342629.html

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