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Linux——进程信号（1）(signal与sigaction)

article 2025/3/31 15:10:39

进程信号初识

  • 信号
    • 信号概念类比理解
      • 一个简单的信号案例
    • 信号系统调用
      • (1) signal() 系统函数
      • (2) 示例代码解析
      • (3) 信号处理的核心问题
      • (4) 生活类比
      • (5) 补充知识点
      • (6) 总结
    • 信号处理(默认与忽略)
      • signal 函数
      • 示例代码
      • 默认与忽略宏定义解析
      • 信号处理机制
      • sigaction 函数（高级信号处理）
      • 示例代码
      • 总结

信号

信号概念类比理解

在Linux中，信号——Signal是系统或用户向进程发送的一种异步通知机制，用于通知进程发生了某种事件（如错误、中断或状态变化）。类比生活中的现象可以更直观地理解这一抽象概念：

（1）信号 ≈ 快递员的敲门（中断通知）
场景：你正在家专心工作，突然快递员敲门（信号到达）。

你需要决定：立即开门（处理信号）、忽略敲门（忽略信号），或者等忙完手头的事再开门（延迟处理）。

对应信号：SIGINT（Ctrl+C 终止进程）或 SIGUSR1（用户自定义信号）。（宏定义）
在这里插入图片描述

关键点：信号是异步的——你无法预知敲门何时发生。

（2）默认行为 ≈ 条件反射
场景：有人突然从背后拍你肩膀，你会本能地转身（默认行为）。但你可以训练自己保持不动（覆盖默认行为）。

对应信号：

  • SIGTERM：默认终止进程（像礼貌的“请离开”）。

  • SIGKILL：强制终止（像直接拔掉电源，无法忽略或捕获）。

关键点：进程可以捕获信号并自定义行为（如保存数据再退出）。

（3） 信号优先级 ≈ 紧急电话 vs 短信
场景：你同时接到电话（高优先级）和短信（低优先级）。电话会打断当前任务，而短信可以稍后处理。

对应信号：

  • SIGSEGV（段错误）会立即终止进程（像火警警报）。

  • SIGCHLD（子进程退出）可能被延迟处理（像垃圾邮件提醒）。

关键点：某些信号会抢占进程的当前执行。

（4）信号阻塞 ≈ 开启勿扰模式
场景：开会时开启手机勿扰模式，期间所有来电被静音（信号被阻塞），但结束后会收到未接通知（信号递送）。

对应操作：sigprocmask() 可阻塞信号，解除阻塞后信号才会生效。

关键点：阻塞≠忽略，信号只是被暂缓处理。

（5）信号丢失 ≈ 重复按电梯按钮
场景：电梯按钮被多次按下，但电梯只会响应一次（同类信号可能合并）。

对应问题：标准信号（如 SIGINT）可能丢失，实时信号（如 SIGRTMIN）会排队。

关键点：非实时信号是不可靠的（多次发送≈一次）。

（6）父子进程信号 ≈ 家长与孩子的约定
场景：家长（父进程）和孩子（子进程）约定：孩子崩溃时打电话通知（发送 SIGCHLD）。

对应机制：父进程通过 wait() 回收子进程资源，避免僵尸进程。

关键点：信号可用于进程间通信（简单场景）。

一个简单的信号案例

// sig.cc
#include <iostream>
#include <unistd.h>
int main()
{
	while(true)
	{
		std::cout << "I am a process, I am waiting signal!" << std::endl;
		sleep(1);
	}
}

运行后发送信号终止：

$ g++ sig.cc -o sig
$ ./sig
I am a process, I am waiting signal!
I am a process, I am waiting signal!
^C

为什么？

  • 在终端运行程序时，按下 Ctrl+C 会向进程发送 SIGINT（中断信号）。

  • SIGINT 的默认行为是终止进程（Terminate）。

  • 因此，进程收到 SIGINT 后立即终止，程序退出。

信号系统调用

(1) signal() 系统函数

功能：设置特定信号的处理方式（捕获、忽略或恢复默认行为）。

头文件：#include <signal.h>

函数原型：

typedef void (*sighandler_t)(int);  // 函数指针类型
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数：

  • signum：信号编号（如 SIGINT 的编号是 2）。

  • handler：信号处理函数指针，收到信号时回调该函数。

示例：

void handler(int signum) {
    std::cout << "Received signal: " << signum << std::endl;
}
signal(SIGINT, handler);  // 捕获 SIGINT（Ctrl+C）

(2) 示例代码解析

代码：

复制
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void handler(int signum) {
    std::cout << "PID: " << getpid() << ", Signal: " << signum << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "PID: " << getpid() << std::endl;
    signal(SIGINT, handler);  // 捕获 SIGINT
    while (true) {
        std::cout << "Waiting for signal..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

运行结果：

$ ./sig
PID: 12345
Waiting for signal...
Waiting for signal...
^CPID: 12345, Signal: 2  # 按下 Ctrl+C
Waiting for signal...
^CPID: 12345, Signal: 2  # 再次按下 Ctrl+C

关键点：

进程不退出：因为自定义的 handler 仅打印信息，未调用 exit()，进程继续执行。

信号异步性：Ctrl+C 可打断 sleep(1)，说明信号是异步的。

(3) 信号处理的核心问题

a.为什么进程不退出？
signal() 仅修改信号的处理方式，不自动终止进程。

若需退出，应在 handler 中调用 exit()。

b. 信号处理是“自己处理”
信号处理函数（handler）是用户自定义的，由进程自身执行。

类比：快递员（操作系统）敲门（发送信号），你（进程）决定是否开门或忽略。

c. 前台进程与后台进程
前台进程：直接接收终端信号（如 Ctrl+C 的 SIGINT）。

后台进程（命令后加 &）：不接收终端信号，需通过 kill 发送信号。

$ ./sig &   # 后台运行
$ kill -SIGINT 12345  # 手动发送 SIGINT

d.信号与进程关系

  • 异步性：信号可能在任何时间点打断进程。

  • 可靠性：标准信号（如 SIGINT）可能丢失，实时信号（SIGRTMIN~SIGRTMAX）可排队。

(4) 生活类比

场景 Linux 信号机制

快递员敲门（电话通知）| 操作系统发送信号（如 SIGINT）

你决定是否开门 | 进程捕获信号并执行 handler

直接拒收快递 | 忽略信号（signal(signum, SIG_IGN)）

强制拆除房门（消防员）| SIGKILL（不可捕获/忽略）

(5) 补充知识点

信号默认行为：

  • SIGINT（Ctrl+C）：终止进程。

  • SIGQUIT（Ctrl+\）：终止并生成核心转储。

  • SIGTERM：优雅终止（可捕获）。

  • SIGKILL：强制终止（不可捕获）。

信号阻塞与未决信号：

使用 sigprocmask() 阻塞信号，信号会被标记为未决（pending），直到解除阻塞。

类比：开启勿扰模式，未接来电稍后处理。

nohup 命令：

使进程忽略 SIGHUP（终端关闭时发送的信号），常用于后台长期运行：

$ nohup ./sig &

信号安全函数：

在 handler 中只能调用异步信号安全函数（如 write()），避免使用 cout/printf（非线程安全）。

(6) 总结

信号本质：异步事件通知机制，由操作系统发送，进程决定处理方式。

核心函数：signal() 或更健壮的 sigaction()。

关键特性：

  • 异步性（可能打断任何代码）。

  • 用户自定义处理（捕获/忽略）。

  • 前台/后台进程差异。

  • 应用场景：进程优雅退出、定时任务（SIGALRM）、父子进程通信（SIGCHLD）。

附：常用信号列表

信号  编号  默认行为  触发方式

SIGINT  2   终止    Ctrl+C

SIGQUIT 3  终止+核心   Ctrl+\

SIGTERM 15  终止     kill

SIGKILL   9  强制终止    kill -9

SIGSTOP  19   暂停进程   Ctrl+Z

信号宏定义：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

信号处理(默认与忽略)

signal 函数

signal 是用于设置信号处理方式的标准库函数，其原型如下：

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

参数：

  • SIG_IGN：忽略信号。
  • SIG_DFL：执行默认动作。
  • 自定义函数：用户定义的信号处理函数。

返回值：

  • 成功时返回之前的信号处理函数。
  • 失败时返回 SIG_ERR。

示例代码

忽略信号

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
 
int main() {
    std::cout << "我是进程: " << getpid() << std::endl;
    signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略 SIGINT 信号
    while (true) {
        std::cout << "I am a process, I am waiting signal!" << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

运行效果：
输入 Ctrl+C（发送 SIGINT 信号）时，程序无反应，继续运行。

执行默认动作

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
 
int main() {
    std::cout << "我是进程: " << getpid() << std::endl;
    signal(SIGINT, SIG_DFL); // 执行默认动作
    while (true) {
        std::cout << "I am a process, I am waiting signal!" << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

运行效果：
输入 Ctrl+C 时，程序退出（默认动作是终止进程）。

默认与忽略宏定义解析

在信号处理中，SIG_DFL 和 SIG_IGN 是两个重要的宏：

#define SIG_DFL ((__sighandler_t) 0) /* 默认动作 */
#define SIG_IGN ((__sighandler_t) 1) /* 忽略信号 */

SIG_DFL：将信号处理函数设置为 0，表示执行默认动作。
SIG_IGN：将信号处理函数设置为 1，表示忽略信号。

这两个宏实际上是将整数 0 和 1 强制转换为函数指针类型 __sighandler_t。

信号处理机制

(1) 信号处理流程
a.内核检测到信号（如用户输入 Ctrl+C）。

b.内核根据进程的信号处理方式执行相应动作：

  • 忽略信号：直接丢弃。
  • 默认动作：执行系统预定义的行为（如终止进程）。
  • 自定义捕捉：切换到用户态，调用用户定义的信号处理函数。

(2) 注意事项
a.信号处理函数应尽可能简单，避免调用不可重入函数（如 printf、malloc 等）。

b.信号处理函数执行期间，系统会阻塞其他同类型信号（防止重入）。

sigaction 函数（高级信号处理）

signal 函数功能有限，推荐使用 sigaction 函数进行更精细的信号处理。

sigaction 函数原型

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

参数：

  • signum：信号编号。
  • act：指向 sigaction 结构体的指针，定义新处理方式。
  • oldact：指向 sigaction 结构体的指针，保存旧处理方式（可为 NULL）。

sigaction 结构体：

struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);       // 信号处理函数或 SIG_IGN/SIG_DFL
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 替代信号处理函数（可选）
    sigset_t sa_mask;             // 信号处理期间阻塞的信号集
    int sa_flags;                 // 选项标志（如 SA_RESTART）
};

示例代码

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
 
void handler(int signumber) {
    std::cout << "捕获信号: " << signumber << std::endl;
}
 
int main() {
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
 
    sigaction(SIGINT, &act, nullptr);
 
    while (true) {
        std::cout << "等待信号..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

补充注释：
struct sigaction act：

  • 定义一个 sigaction 结构体变量，用于描述信号处理方式。

act.sa_handler = handler：

  • 将 sa_handler 成员设置为自定义的信号处理函数 handler。
  • 当 SIGINT 信号被捕获时，会调用 handler 函数。

sigemptyset(&act.sa_mask)：

  • 初始化 sa_mask 成员为一个空集。
  • sa_mask 指定在信号处理函数执行期间需要阻塞的信号集。
  • 空集表示不阻塞任何信号。

act.sa_flags = 0：

  • 设置 sa_flags 成员为 0，表示不使用任何特殊选项。
  • 常见的选项包括 SA_RESTART（自动重启被信号中断的系统调用）。

总结

信号处理方式：

  • 忽略信号（SIG_IGN）。
  • 执行默认动作（SIG_DFL）。
  • 自定义捕捉信号（信号处理函数）。
  • signal 函数：简单易用，但功能有限。
  • sigaction 函数：功能强大，推荐用于复杂场景。

注意事项：

  • 信号处理函数应简单、快速。
  • 避免调用不可重入函数。（不可重入函数是指那些在执行过程中如果再次被调用，可能会导致数据不一致、程序崩溃或未定义行为的函数。这些函数通常依赖于全局状态、静态变量或不可中断的资源。）

http://www.kler.cn/a/612144.html

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