Linux 信号机制

引言

在 Linux 操作系统的世界中，信号（Signal）机制是进程间通信（IPC）和内核与用户空间交互的基础组成部分。作为一个高效、异步的事件通知系统，信号允许内核或进程向另一个进程发送简短的消息，通知其发生特定事件，如硬件异常、软件中断或用户干预。这不仅仅是技术细节，更是确保系统稳定性和响应性的关键。想象一下，当一个进程试图除以零时，内核如何即时响应？或者当用户按下 Ctrl+C 时，如何优雅地终止程序？这些都依赖于信号机制。

为什么 Linux 信号机制如此重要？首先，它是 POSIX 标准的一部分，确保了跨 Unix-like 系统的兼容性。其次，在多任务环境中，信号提供了一种轻量级的异步通信方式，比管道或消息队列更高效。再次，随着云计算和容器化的兴起，如 Docker 和 Kubernetes，理解信号有助于调试 Pod 终止或资源限制问题。

Linux 信号机制的基本概念

信号在 Linux 中的历史可以追溯到 Unix 的早期版本。Linux 内核从 0.01 版开始就支持信号，随着版本演进，如从 2.6 到 6.x，信号处理不断优化，支持更多实时特性。

信号的定义与作用

信号是一种软件中断，用于异步通知进程事件发生。每个信号是一个整数值，从 1 到 64（在 x86_64 上），对应特定含义。例如，SIGINT (2) 表示键盘中断，SIGKILL (9) 表示强制终止。

信号的作用包括：

1. 异常处理：如 SIGSEGV (11) 处理段错误（Segmentation Fault）。

2. 进程控制：SIGSTOP (19) 暂停进程，SIGCONT (18) 继续。

3. 定时器与报警：SIGALRM (14) 用于 alarm() 函数。

4. IPC：进程间发送自定义信号，如 SIGUSR1 (10)。

信号是异步的：进程在接收信号时，可能正在执行其他代码，内核会中断其执行，转而调用信号处理函数（Handler）。

信号的生命周期

一个信号的生命周期包括：

• 产生（Generation）：由内核或进程生成。

• 投递（Delivery）：信号被发送到目标进程。

• 挂起（Pending）：如果进程阻塞信号，它会挂起等待。

• 处理（Handling）：进程执行默认动作、忽略或自定义处理。

内核使用 sigpending 结构维护每个进程的信号队列。

与中断的区别

信号类似于硬件中断，但它是软件实现的。硬件中断由 CPU 处理，信号由内核调度器管理。

Linux 信号的类型

Linux 支持的标准信号有 31 个（1-31），实时信号从 32 到 64。使用 kill -l 命令列出所有信号。

标准信号

标准信号是非实时的，不支持排队，如果多个相同信号挂起，只处理一个。

分类：

1. 终止信号：

   • SIGTERM (15)：优雅终止，允许清理。

   • SIGKILL (9)：强制杀死，不可捕获或忽略。

   • SIGINT (2)：Ctrl+C 产生。

2. 异常信号：

   • SIGSEGV (11)：无效内存访问。

   • SIGBUS (7)：总线错误，如未对齐访问。

   • SIGFPE (8)：浮点异常，如除零。

3. 作业控制信号：

   • SIGSTOP (19)：暂停进程，不可忽略。

   • SIGTSTP (20)：Ctrl+Z 产生。

   • SIGCONT (18)：继续暂停进程。

4. 报警与定时：

   • SIGALRM (14)：alarm() 超时。

   • SIGVTALRM (26)：虚拟定时器。

5. 用户定义：

   • SIGUSR1 (10)、SIGUSR2 (12)：自定义用途。

6. 其他：

   • SIGHUP (1)：终端挂起或控制进程死亡。

   • SIGPIPE (13)：向无读进程写管道。

   • SIGCHLD (17)：子进程状态变化。

每个信号有默认动作：Term（终止）、Ign（忽略）、Core（终止并 dump core）、Stop（停止）、Cont（继续）。

实时信号

实时信号（RT Signals）从 SIGRTMIN (34) 到 SIGRTMAX (64)，支持 POSIX.1b 标准。

特点：

• 排队：多个相同信号会排队，不丢失。

• 优先级：较低编号优先。

• 携带数据：使用 sigqueue() 发送时，可附带 union sigval 数据。

实时信号用于高优先级任务，如实时系统（RT Linux）。

信号的可靠性

不可靠信号：标准信号，可能丢失（如果相同信号多次产生，只投递一次）。

可靠信号：实时信号，不会丢失。

信号的产生和发送

信号可以由内核、进程或用户产生。

产生方式

1. 硬件异常：如除零（SIGFPE）、无效内存（SIGSEGV），由 CPU 陷阱触发内核。

2. 软件条件：如 alarm() 超时产生 SIGALRM。

3. 终端输入：Ctrl+C (SIGINT)、Ctrl+Z (SIGTSTP)。

4. 进程发送：使用 kill()、raise()、sigqueue()。

5. 内核事件：子进程结束（SIGCHLD）、I/O 就绪（SIGIO）。

发送函数

1. kill(pid, sig)：向 pid 发送 sig。pid>0：特定进程；pid=0：同组进程；pid=-1：所有进程（需权限）；pid< -1：进程组。

   示例：

   #include <signal.h>
   #include <sys/types.h>
   kill(getpid(), SIGUSR1);
   

2. raise(sig)：向自身发送，等同 kill(getpid(), sig)。

3. sigqueue(pid, sig, value)：发送实时信号，value 是 sigval（整数或指针）。

   示例：

   union sigval val;
   val.sival_int = 42;
   sigqueue(pid, SIGRTMIN, val);
   

4. killpg(pgid, sig)：向进程组发送。

5. pthread_kill(thread, sig)：向线程发送（多线程环境）。

权限：发送者需与接收者相同 UID，或 root。

信号的处理

进程收到信号后，可采取三种方式：默认、忽略、捕获。

默认处理

每个信号有默认动作，如 SIGTERM 终止进程。

忽略信号

使用 signal() 或 sigaction() 设置 SIG_IGN。

示例：

signal(SIGINT, SIG_IGN);

注意：SIGKILL 和 SIGSTOP 不可忽略。

捕获信号

设置自定义处理函数。

1. signal() 函数：简单但不推荐（不安全，异步信号问题）。

   void handler(int sig) { /* 处理 */ }
   signal(SIGINT, handler);
   

2. sigaction()：推荐，POSIX 兼容。

   结构 sigaction：

   struct sigaction {void (*sa_handler)(int);void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);sigset_t sa_mask;int sa_flags;void (*sa_restorer)(void);
   };
   

   示例：

   struct sigaction act;
   act.sa_handler = handler;
   sigemptyset(&act.sa_mask);
   act.sa_flags = 0;
   sigaction(SIGINT, &act, NULL);
   

   sa_flags：

   对于实时信号，sa_flags | SA_SIGINFO 获取数据。

   • SA_RESTART：系统调用被中断后重启。

   • SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction，获取 siginfo_t（信号信息，如发送者 pid）。

   • SA_NOCLDSTOP：不因子进程停止产生 SIGCHLD。

信号处理函数执行时，信号被阻塞，防止重入。sa_mask 指定额外阻塞信号。

信号处理的安全性

处理函数应异步安全：避免 malloc、printf 等非 reentrant 函数。使用 write() 或 sig_atomic_t 变量。

信号的阻塞和挂起

进程可阻塞信号，防止投递。

信号掩码

每个进程/线程有信号掩码（sigset_t），阻塞的信号集。

操作函数：

• sigemptyset(set)：清空。

• sigfillset(set)：填充所有。

• sigaddset(set, sig)：添加。

• sigdelset(set, sig)：删除。

• sigismember(set, sig)：检查。

设置掩码

1. sigprocmask(how, new, old)：

   示例：

   sigset_t newmask;
   sigemptyset(&newmask);
   sigaddset(&newmask, SIGINT);
   sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL);
   

   • how: SIG_BLOCK（添加阻塞）、SIG_UNBLOCK（移除）、SIG_SETMASK（设置）。

2. sigsuspend(set)：原子替换掩码并暂停等待信号。

阻塞信号会挂起（pending），使用 sigpending(set) 检查。

高级信号机制

多线程中的信号

在 pthread 中，信号掩码是 per-thread 的，但信号投递到进程，任一非阻塞线程处理。

使用 pthread_sigmask() 设置线程掩码。

专用信号处理线程：阻塞所有线程信号，除一个线程处理。

实时信号扩展

sigqueue() 发送数据，接收时 siginfo_t.si_value 获取。

队列：使用 sigtimedwait() 或 sigwaitinfo() 等待特定信号。

示例：

sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGRTMIN);
siginfo_t info;
sigwaitinfo(&set, &info);
printf("Value: %d\n", info.si_value.sival_int);

信号与系统调用

慢系统调用（如 read()）被信号中断，返回 EINTR。使用 SA_RESTART 自动重启。

信号栈

默认处理在用户栈上，SA_ONSTACK 使用备用栈（sigaltstack() 设置）。

用于栈溢出处理。

信号在内核中的实现

内核信号结构：task_struct->signal、pending、blocked。

发送：send_signal() 添加到队列。

检查：信号在返回用户空间时检查（syscall exit 或中断返回）。

TIF_SIGPENDING 标志触发 do_signal() 处理。

常见问题与解决方案

问题 1: 信号丢失

原因：标准信号不排队。

解决方案：使用实时信号。

问题 2: 竞争条件

原因：信号异步。

解决方案：使用 sigatomic_t，阻塞信号关键区。

问题 3: SIGCHLD 处理

子进程结束，wait() 回收避免僵尸。

示例：handler 中 waitpid(-1, NULL, WNOHANG)。

问题 4: 信号与 fork/exec

fork 继承掩码和处理，但 pending 清空。

exec 重置处理为默认，掩码保留。

问题 5: 调试信号

使用 strace -e signal 追踪。

gdb：handle SIGINT nostop。

优化技巧与高级应用

优化信号处理

• 最小化处理函数：快速返回，避免阻塞。

• 使用 signalfd()：将信号转换为文件描述符，集成 select/epoll。

  示例：

  sigset_t mask;
  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGINT);
  sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);
  int sfd = signalfd(-1, &mask, 0);
  // read(sfd, &fdinfo, sizeof(struct signalfd_siginfo));
  

• timerfd：定时器信号转换为 fd。

应用场景

1. 守护进程：SIGHUP 重载配置。

2. 网络服务器：SIGUSR1 转储统计。

3. 实时系统：实时信号优先调度。

4. 容器管理：Kubernetes 使用 SIGTERM 优雅关停。

与其他 IPC 比较

信号 vs 管道：信号异步，轻量，但无数据传输（除实时）。

信号 vs 消息队列：信号更快，但队列有限。

实际案例分析

案例 1: Ctrl+C 处理

简单 shell：捕获 SIGINT 打印消息，继续运行。

代码：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
void handler(int sig) { printf("Caught SIGINT\n"); }
int main() {signal(SIGINT, handler);while(1) pause();
}

案例 2: 定时器

使用 alarm() 发送 SIGALRM。

代码：

void alarm_handler(int sig) { printf("Alarm!\n"); }
int main() {signal(SIGALRM, alarm_handler);alarm(5);pause();
}

案例 3: 子进程管理

父进程等待 SIGCHLD。

代码：

#include <sys/wait.h>
void child_handler(int sig) {wait(NULL);
}
int main() {signal(SIGCHLD, child_handler);if (fork() == 0) exit(0);pause();
}

案例 4: 实时信号通信

进程间传递数据。

发送端：

union sigval val = { .sival_int = 123 };
sigqueue(pid, SIGRTMIN, val);

接收端：使用 sigwaitinfo 获取。

案例 5: 多线程信号

主线程阻塞，worker 处理。

代码：

#include <pthread.h>
void* thread_func(void* arg) {sigset_tset;sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGUSR1);int sig;sigwait(&set, &sig);printf("Received in thread\n");
}
int main() {sigset_t mask;sigfillset(&mask);pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);pthread_t t;pthread_create(&t, NULL, thread_func, NULL);// send signalpthread_join(t, NULL);
}