Linux 信号机制

Linux信号是操作系统中进程间通信的一种重要机制，信号提供了一种简洁而强大的方式，用于通知进程发生了某些事件或需要执行特定的操作

一、Linux信号的基本概念

信号是一种异步的、软件中断的机制，用于通知进程某些事件的发生。进程接收到信号时，会中断其正常执行，并转而执行信号处理函数，处理完信号后再继续执行。信号主要用于进程之间的通信和控制。

每个信号在内核中都有唯一的编号，并且每种信号都有特定的意义。例如，SIGTERM请求进程正常终止，SIGKILL强制终止进程，SIGSEGV表示段错误等。

二、怎么理解Linux信号机制

Linux信号机制是一种轻量级的进程间通信方式。它的设计初衷是让进程能够快速响应操作系统或其他进程发出的事件通知。信号的发送和接收通常不依赖于共享内存或复杂的同步机制，因此它比其他通信方式（如消息队列、共享内存等）更加简单和高效。

当一个进程接收到信号时，它的执行会被中断，操作系统会根据信号类型来决定如何处理这个信号。信号机制主要由两部分组成：信号发送和信号处理。

三、Linux信号的用途

信号的用途非常广泛，主要用于以下几个方面：

1. 进程控制：信号可用于控制进程的执行。例如，SIGSTOP可以暂停进程，SIGCONT可以恢复进程的执行，SIGTERM用于请求进程正常终止。

2. 进程间通信：进程可以通过发送信号来通知另一个进程某些事件的发生。例如，父进程可以通过SIGCHLD信号接收到子进程的状态信息。

3. 错误处理和异常通知：信号常用于报告程序中的错误或异常，如SIGSEGV表示段错误，SIGFPE表示浮点运算错误。

4. 定时任务和超时管理：信号还可用于定时任务，例如使用SIGALRM来设置定时器，一旦超时就会触发指定的信号。

四、Linux信号的原理

Linux信号的原理基于异步通知的概念。每当一个进程接收到信号时，内核会中断进程的当前操作，跳转到对应的信号处理函数或执行默认行为。信号本身并不包含任何数据，除了某些特定类型的信号（如实时信号）可以携带附加数据外。

信号的发送是通过内核的kill()系统调用实现的。一个进程可以向另一个进程发送信号，进程根据信号类型来执行相应的操作。如果信号的目标进程正在执行某些任务，进程的执行会被中断。

信号的发送过程通常包括以下几个步骤：

1. 信号队列：每个进程都有一个信号队列，用于存储接收到的信号。
2. 信号调度：当进程进入就绪状态时，内核会调度信号的处理。
3. 信号处理：进程可以选择捕获信号并执行自定义的处理，或者直接使用默认的信号处理行为。

五、Linux信号的处理方法

Linux信号处理主要有三种方式：默认处理、忽略信号和自定义处理

1、默认处理

每种信号都有一个默认的处理方式。例如，SIGTERM信号会导致进程退出，SIGKILL会强制终止进程，SIGSTOP会暂停进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int main() {
    printf("This is a demo program. Press Ctrl+C or send SIGTERM to terminate.\n");
    while(1) {
        sleep(1);  // 模拟进程持续运行
    }
}

在这个示例中，默认行为是接收到SIGTERM信号时进程退出。

2、忽略信号

进程可以选择忽略某些信号。例如，SIGINT信号通常由Ctrl+C触发，我们可以选择忽略它：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void signal_handler(int sig) {
    // 忽略信号并不执行任何动作
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler);  // 忽略 SIGINT 信号
    printf("Signal SIGINT is now ignored. Press Ctrl+C, but nothing will happen.\n");
    while(1) {
        sleep(1);
    }
}

3、自定义信号处理

进程可以定义一个函数来处理接收到的信号，并在该函数中执行特定的操作。例如，处理SIGTERM信号时执行资源清理：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void cleanup(int signal) {
    printf("Custom handler: Received SIGTERM. Performing cleanup.\n");
    // 执行清理操作
    // exit(0);
}

int main() {
    signal(SIGTERM, cleanup);  // 捕获 SIGTERM 信号
    printf("Waiting for SIGTERM signal...\n");
    while(1) {
        sleep(1);  // 模拟进程持续运行
    }
}

六、Linux信号处理的细节

1、信号掩码

信号掩码（Signal Mask）用于阻止某些信号在进程中被捕获，尤其在多线程环境下，信号掩码可以控制哪些线程能够接收某些信号。例如，进程可以屏蔽SIGINT信号：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 屏蔽 SIGINT 信号
    printf("SIGINT is blocked. Press Ctrl+C, but it won't be processed.\n");
    while(1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2、实时信号

实时信号（SIGRTMIN到SIGRTMAX）是Linux提供的一类特殊信号，它们允许携带更多的附加数据，且具有较高的优先级。实时信号不与标准信号冲突，通常用于需要精确控制的进程间通信。

3、Linux信号 Alarm

SIGALRM信号用于定时器，进程可以设置一个定时器，当定时器超时后触发该信号。通常用于超时处理或定时任务。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void alarm_handler(int sig) {
    printf("Received SIGALRM: Timer expired!\n");
}

int main() {
    signal(SIGALRM, alarm_handler);
    alarm(5);  // 设置一个5秒的定时器
    printf("Waiting for alarm...\n");
    while(1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

七、Linux信号处理库函数

在Linux中，信号处理是通过一系列系统调用和库函数实现的。常见的信号处理库函数有：signal()、sigaction()、sigprocmask()、kill()等

1. signal() 函数

signal()函数用于设置信号的处理函数。当进程接收到特定信号时，会调用对应的处理函数。

函数原型：

void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

• signum：指定信号的编号（如SIGINT、SIGTERM等）。
• handler：指定一个处理该信号的函数。当信号到达时，系统会调用这个函数。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void signal_handler(int sig) {
    printf("Received signal: %d\n", sig);
    exit(0);  // 处理完信号后退出
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler);  // 捕获Ctrl+C (SIGINT)
    printf("Waiting for SIGINT...\n");
    while (1) {
        sleep(1);  // 持续运行
    }
    return 0;
}

在此例中，进程通过signal()函数捕获SIGINT信号（通常由Ctrl+C触发）。当接收到SIGINT时，程序调用signal_handler()函数处理信号，并退出。

2. sigaction() 函数

sigaction()是一个更为强大且灵活的信号处理函数，比signal()提供了更多的控制选项。sigaction()可以指定信号处理函数，并允许设置信号处理的其他行为，如信号掩码、信号的处理动作等。

函数原型：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

• signum：指定信号的编号。
• act：指定新的信号处理结构体，包含了信号处理函数和其他行为。
• oldact：如果非NULL，保存原来的信号处理方式。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void sigaction_handler(int sig) {
    printf("Received signal: %d\n", sig);
    exit(0);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigaction_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);  // 不屏蔽任何信号
    sa.sa_flags = 0;  // 使用默认行为
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);  // 捕获SIGINT信号
    printf("Waiting for SIGINT...\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用sigaction()来捕获SIGINT信号，并通过自定义的sigaction_handler()函数处理信号。sigemptyset()用于清空信号掩码，表示在处理信号时不阻塞任何其他信号。

3. sigprocmask() 函数

sigprocmask()用于控制进程的信号掩码。信号掩码指定了哪些信号在进程中被阻塞，即不允许被处理。

函数原型：

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

• how：指定信号掩码的操作方式，常用的值有：
  • SIG_BLOCK：阻塞信号。
  • SIG_UNBLOCK：解除信号阻塞。
  • SIG_SETMASK：将信号掩码设置为给定的set。
• set：指定信号集，用于设置或修改信号掩码。
• oldset：如果非NULL，保存旧的信号掩码。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    sigset_t new_mask, old_mask;
    sigemptyset(&new_mask);
    sigaddset(&new_mask, SIGINT);  // 将SIGINT加入到信号集

    sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask, &old_mask);  // 阻塞SIGINT信号
    printf("SIGINT is blocked. Press Ctrl+C, but it won't be processed.\n");

    sleep(5);  // 休眠5秒钟

    sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL);  // 恢复原信号掩码
    printf("SIGINT is now unblocked. You can press Ctrl+C.\n");

    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，SIGINT信号被阻塞，直到信号掩码恢复为原来的状态，SIGINT才会被处理。

4. kill() 函数

kill()函数用于向指定进程发送信号，触发信号处理。

函数原型：

int kill(pid_t pid, int sig);

• pid：目标进程的PID。可以是指定进程的ID，或者一些特殊值（如0表示向进程组发送信号，-1表示向所有进程发送信号）。
• sig：指定要发送的信号类型。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = getpid();  // 获取当前进程ID
    printf("Sending SIGTERM to process with PID %d...\n", pid);
    if (kill(pid, SIGTERM) == -1) {
        perror("Error sending SIGTERM");
    }
    return 0;
}

此示例向当前进程发送SIGTERM信号，要求其终止。

八、Linux信号列表