浅析Linux进程信号处理机制：基本原理及应用

概述

Linux信号机制是进程间通信的一种方式，用于在不同进程之间传递信息，它通过向目标进程发送一个特定的信号，来触发目标进程执行相应的处理操作。信号本质上是在软件层次上对中断机制的一种模拟，可以认为是用户态下的中断机制，它为用户进程提供了一种处理异步事件的方法；用户进程可以注册自定义的信号处理函数，在进程响应外部信号时，会自动调用回调进行处理。

信号类型

Linux定义了64种信号类型，每个信号都有唯一的编号进行标识。在系统中，通过kill -l命令可以查看所有的信号类型。

可靠信号与不可靠信号

Linux信号可以分为不可靠信号和可靠信号。

• 不可靠信号：又称非实时信号，是指在信号传递过程中可能丢失或产生不可预测行为的信号，这意味着当一个进程接收到该信号时，无法确保该信号一定会被进程处理。1-31号信号为不可靠信号。
• 可靠信号：又称实时信号，是保证传递和处理的信号。当一个进程接收到可靠信号时，系统会确保该信号不会丢失，并且会等待进程处理完该信号后再继续执行其他操作，Linux使用队列来保存待处理的信号，保证它们按照接收的顺序被进程处理。34-64号信号为可靠信号。

在日常开发及维护时，见到的基本是不可靠信号：

Fatal信号与Non Fatal信号

对于每一个信号，系统都有默认的处理行为，根据信号的默认处理行为，可以将信号分为 Fatal（致命）信号和 Non-Fatal（非致命）信号。

• Fatal信号：Fatal 信号是指那些默认处理行为会导致进程终止的信号。当进程收到这类信号且没有注册自定义处理函数时，进程会被终止。
• Non Fatal信号：Non-Fatal 信号是指那些默认处理行为不会导致进程终止的信号。这些信号通常用于控制进程状态或通知特定事件。

不可捕获/忽略信号

在Linux系统中，用户通常可以捕获信号，并自定义处理信号处理行为；但有两个信号比较特殊，它们既不能忽略，也不能捕获，只能执行默认处理：

• SIGKILL (9)：强制终止进程
• SIGSTOP (19)：暂停进程

信号工作机制

与中断的实时响应（CPU执行完一条指令后，就会响应中断请求）不同，进程对信号的处理有一定的滞后性。原因在于，当应用进程接收到其它进程发送的信号时，不会立即做出响应，只有等当前进程陷入到内核空间时，才会进行信号检测。Linux系统中，应用程序处理信号的流程示意如下：

可以看到，系统对信号的检测与响应总是发生在内核态，只有当前进程由于系统调用、中断或异常而进入系统空间以后，从系统空间返回到用户空间的前夕，内核才会进行信号的处理。

检测到信号后，内核在用户栈创建新层，将返回地址指向信号处理函数，确保函数在用户态执行，避免权限泄露；信号处理程序执行完成后，会执行sigreturn系统调用再次切换到内核态，再由恢复原系统调用或代码执行点。

信号处理方式

在进程接收到一个信号时，可以告诉内核按照下列三种方式之一进行处理：

• 忽略信号：对信号不做任何处理（但 SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被忽略）；
• 捕获信号：注册自定义的信号处理函数；
• 默认处理：执行系统定义的默认动作。Linux信号的默认处理行为可以分为以下几类：
  • Terminate：终止进程；
  • Coredump：终止进程并生成核心转储文件；
  • Ignore：忽略信号；
  • Stop：暂停进程；
  • Continue：继续运行进程。

信号嵌套处理

默认情况下，信号处理函数运行期间，如果再次接收到相同信号，信号会被自动阻塞，直到当前处理函数执行完毕。

信号使用

在日常开发或维护过程中，所涉及到信号的使用方式，主要是如何发送信号以及自定义程序的信号的处理行为。

信号发送

Linux系统使用kill系统调用向指定进程发送信号，原型定义如下：

 #include <sgnal.h> 
int kill(int pid, int sign);

kill函数的pid参数根据取值有多重含义：

• pid>0：将此信号发送给进程ID为pid的进程；
• pid=0：将此信号发送给进程组ID和该进程相同的进程；
• pid<0：将此信号发送给进程组内进程ID为pid的进程；
• pid=-1：将此信号发送给系统所有的进程。

kill命令

在Linux系统中，kill命令用于向进程发送信号，以终止或控制进程。默认情况下，kill命令发送的是SIGTERM（终止信号），这通常会让进程自行清理资源并优雅地终止。如果进程没有响应SIGTERM，可以使用SIGKILL（杀死信号）强制终止进程。

kill [-signum] [PID]

注册信号处理函数

Linux系统下可以通过signal或sigaction函数可以注册信号处理函数。signal原型如下：

#include <signal.h>
void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

sigaction是 signal的增强版，提供了更精细的控制，包括：
* 自定义信号处理函数
* 设置信号屏蔽字（阻塞其他信号）
* 指定信号处理标志（如是否自动重置处理函数）

sigaction函数原型定义如下：

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

信号安全与函数可重入性

信号安全是指线程在信号处理函数当中，不管以任何方式调用你的函数如果不死锁不修改数据，那就是信号安全的。在信号处理函数中应避免调用不可重入的函数（如 printf、malloc），否则可能导致程序崩溃。

可重入函数

一个函数或代码段若能在被中断后安全地再次调用（如信号处理函数中调用），则称为可重入的。不可重入的代码会导致数据损坏或死锁。
可重入代码的条件：

1. 不使用全局或静态变量：依赖局部变量或通过参数传递状态。
2. 不调用不可重入函数：如malloc()、printf()、非线程安全的库函数。
3. 避免锁的嵌套：信号处理函数中不应获取锁（可能引发死锁）。
   

线程安全与可重入性

可重入函数是线程安全函数的一个真子集。可重入函数一定是线程安全的。尽管线程安全和可重入有时会被不正确地用作同义词，但它们之间有清晰的技术差别。线程安全函数可能使用同步机制（如锁）来保护共享数据，而可重入函数则完全不使用共享数据。

相关参考

• 《Unix环境高级编程》
• Linux signal 图文详解（一）信号简介、信号注册
• 干货】linux内核信号的处理过程