目录

 

理论篇

信号概述

信号的分类

信号机制

理解硬件中断

异步

信号对应的三种动作

信号产生的条件

终端按键

系统调用

软件条件

硬件异常

除0错误

野指针

OS对于错误的态度

信号在进程中的内核数据结构

信号的处理

CPU的内核态和用户态概述

进程处理信号的时机

​编辑

在递达时该信号被屏蔽

实操篇

sigset_t

信号集操作函数

sigprocmask

参数

返回值

sigpending

参数

返回值

sigaction

参数

返回值

struct sigaction 结构

闹钟

参数

返回值

注意事项

signal 

---

个人主页东洛的克莱斯韦克

理论篇

信号概述

在Linux系统中，信号是一种软件中断，用于通知进程发生了某个事件

信号是由操作系统发送给进程的，用于通知进程某个条件已经发生或者需要执行某个动作，进程处理信号的默认动作可用如下命令查看

<code>man 7 signal

信号提供了一种进程间通信的机制，虽然它主要是用来通知异常或中断情况，但也可以被用来实现进程间的同步或控制

信号的分类

信号分为普通信号  和  实时信号

用如下指令查看信号

kill -l

在Linux系统中1号信号到31号信号为普通信号，34号到64号信号为实时信号。每一种信号都有自己的宏定义。

实时信号一般用于特定的系统中，如嵌入式系统，能够在特定的硬件上运行并对外部事件做出迅速响应的系统。一个很贴近生活的例子是车载系统，如果用户层踩了刹车，车载系统即使再忙也要马上做出响应。实时信号会打破进程占用CPU资源的公平性。

而普通信号不会破坏进程占用CPU的资源的公平性，本文重点探讨普通信号。

信号机制

信号的机制属于一种软件中断，它模拟的是硬件中断

理解硬件中断

硬件中断是指当硬件设备（如网卡、硬盘、键盘等）有数据或事件需要处理时，会自动向CPU发送一个中断请求（IRQ），CPU在收到中断请求后，会暂停当前正在执行的任务，转而执行处理该中断请求的程序，这一过程称为硬件中断处理。

也就是说OS不会耗费资源去检查外设的数据情况，而是检测CPU是否收到中断请求。

以键盘为例，OS不可能知道用户什么时候敲键盘，OS也不会检测键盘是否有数据，只有用户敲键盘了，键盘会给CPU发送中断请求，OS检查到CPU的中断请求，才会把数据从键盘文件刷到内核缓冲区。

硬件中断是硬件行为，信号是在软件层模拟硬件中断。操作系统给进程发送相应的信号，进程收到信号完成某些任务。

异步

与硬件中断类似，进程不知道操作系统什么时候给自己发送信号。由于信号可以在进程执行的任何时间点到来，且进程通常不会预先知道何时会收到信号，因此信号的接收是异步的。

信号对应的三种动作

默认动作    忽略    自定义

默认动作：每一个信号对应一个动作。就比如红绿灯的 红灯 ，绿灯， 黄灯 分别对应停止， 前进， 等一等。

信号编号	信号名称	默认动作	备注
1	SIGHUP	终止进程	当用户退出shell时，由该shell启动的所有进程将接收此信号
2	SIGINT	终止进程	相当于Ctrl+C，通常用于终止前台进程
3	SIGQUIT	终止进程并生成core文件	相当于Ctrl+\，除了终止进程外，还会生成core文件用于调试
4	SIGILL	终止进程并生成core文件	非法指令，例如执行了未知或不支持的指令
5	SIGTRAP	终止进程并生成core文件	跟踪/断点陷阱，通常与调试器相关
6	SIGABRT	终止进程并生成core文件	调用abort()函数产生的信号，用于异常终止进程
7	SIGBUS	终止进程并生成core文件	总线错误，非法访问内存地址（如对齐错误）
8	SIGFPE	终止进程并生成core文件	浮点异常，如除以0、溢出等
9	SIGKILL	终止进程	不能被捕捉、阻塞或忽略，无条件终止进程
10	SIGUSR1	终止进程	用户自定义信号1，程序员可以在程序中定义并使用该信号
11	SIGSEGV	终止进程并生成core文件	无效的内存引用，如解引用空指针
12	SIGUSR2	终止进程	用户自定义信号2，程序员可以在程序中定义并使用该信号
13	SIGPIPE	终止进程	写入没有读端的管道，常见于socket编程中
14	SIGALRM	终止进程	由alarm()函数设置的定时器超时产生
15	SIGTERM	终止进程	请求程序终止，与SIGKILL不同，SIGTERM可以被捕捉、阻塞或忽略
16-17	SIGSTKFLT	终止进程	协处理器栈错误（已废弃，在某些系统上可能不存在）
	SIGCHLD	忽略	子进程停止或终止时，通知父进程，但父进程通常选择忽略此信号
18	SIGCONT	继续执行被停止的进程	使一个停止的进程继续执行（如果它被停止的话）
19	SIGSTOP	停止进程	不能被捕捉、阻塞或忽略，无条件停止进程
20	SIGTSTP	停止进程	相当于Ctrl+Z，用于暂停前台进程
21-22	SIGTTIN	停止进程	后台进程尝试从控制终端读取时产生（如后台进程尝试读取输入）
	SIGTTOU	停止进程	后台进程尝试向控制终端写入时产生（如后台进程尝试输出）
23-31	SIGURG, ...	依赖于具体实现	这些信号的默认动作可能因系统而异，且一些信号可能不在所有系统上都有定义

忽略：进程屏蔽了该信号

自定义：进程捕捉了该信号

9号信号和19号信号不能被捕捉也不能被屏蔽。

9号信号是用来杀进程的且一定能杀掉，用来处理有问题的进程，恶意攻击系统的进程等等

19号信号用来停掉进程而且一定能停掉，如果进程正在做一些很重要的事情但确实出了一些问题，可以用19号信号停掉该进程。

信号产生的条件

终端按键

常用的组合键如下

Ctrl+C信号：SIGINT（Interrupt，中断信号）

作用：当用户按下Ctrl+C时，终端驱动程序会接收到这个输入，并调用信号系统向当前的前台进程发送SIGINT信号。默认动作是终止进程。

补充：前台进程指的是你收到键盘输入的进程，linux中只允许有一个前台进程，可以有多个后台进程。

Ctrl+Z信号：SIGTSTP（Stop typed at terminal，终端停止信号）

作用：当用户按下Ctrl+Z时，终端驱动程序会向当前的前台进程发送SIGTSTP信号。这个信号会停止（挂起）进程的执行，但进程并没有被终止。用户可以使用<code>fg命令将进程恢复到前台继续执行，或者使用bg命令将其放到后台执行。

Ctrl+\信号：SIGQUIT（Quit，退出信号）

作用：在某些系统中，当用户按下Ctrl+\时，会向当前的前台进程发送SIGQUIT信号。这个信号的默认处理方式是终止进程，并且会生成一个核心转储文件（core dump），该文件包含了进程终止时的内存、寄存器状态等信息，有助于开发者进行调试。

补充：服务器默认是关掉核心转储的，在线上生产环境中，会有大量收到SIGQUIT信号的进程，如果核心转储没有关掉，会有大量的核心转储文件挤压磁盘空间，使服务器无法正常运行。

系统调用

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int signo);

int raise(int signo);

这两个函数都是成功返回

0

,

错误返回

-1

。

kill命令

是调用

kill函数

实现的。

kill

函数可以给一个指定的进程发送指定的信号。

raise

函数可以给当前进程发送指定 的信号(

自己给自己发信号

)

。

#include <stdlib.h>

void abort(void);

abort

函数使当前进程接收到信号而异常终止。

就像

exit

函数一样

,

abort

函数总是会成功的

,

所以没有返回值。

软件条件

【linux】进程间通信

对于管道而言，如果管道的读端全部被关闭，写端就没有意义了。操作系统会给写端进程发送SIGPIPE信号，其信号编号为13。

SIGPIPE信号是Linux中定义的一个标准信号，用于指示一个写操作尝试写入一个没有读端的管道。SIGPIPE信号的默认动作是终止进程，但可以通过设置信号处理函数来捕获或忽略该信号。大多数服务器程序为了避免因SIGPIPE信号而异常终止，会选择忽略该信号。

上述例子就属于进程触发了一些软件条件，从而让操作系统发送信号来通知进程。

硬件异常

硬件异常是指由硬件设备引起的程序执行过程中的错误或异常情况。下面分析除0错误和野指针问题的硬件异常

除0错误

除0错误是很常见的硬件异常，它会使CPU的运算溢出。当进程执行了除以0的指令时，CPU的运算单元会产生异常，并通知内核。内核会解析这个异常为SIGFPE信号，并发送给当前进程。

野指针

当进程访问了非法或未分配的内存地址时，MMU会产生异常，并通知内核。内核会解析这个异常为SIGSEGV信号，并发送给当前进程。

本质上讲，野指针问题都是虚拟地址在页表中转化物理地址失败。【Linux】进程地址空间

OS对于错误的态度

对于一些异常或错误系统往往不会发送9或19号信号，上文中4个条件触发的信号都是可以被捕捉的和屏蔽的。

也就是说即使触发了一些异常或错误，系统做的也只是通知，而不是强硬的杀掉或停掉进程。比如上述的除 0 错误，进程只要捕捉了SIGFPE信号，那么该进程只要被调度到CPU上就会触发除 0 异常，OS就会继续给该进程发送SIGFPE信号。

OS为什么要用信号的方式通知，而不是直接杀进程？

可以搭个场景来理解下，进程A正在向磁盘写入10万条转账记录，但进程A触发了某些异常，此时OS的做法是通知进程A，还是杀掉或停掉进程A呢。如果做的比较极端导致这10万条转账记录丢失了，是进程的问题，还是OS的问题呢。

那么我们也就不难理解，OS为什么要给进程足够多的宽容度。因为应用层可能正在做很重要的事情，OS太极端对应用层的体验会大打折扣。

所以OS会以信号的方式通知进程，而对异常的处理就看上层是怎么设计的，出了问题也和OS没关系。

信号在进程中的内核数据结构

屏蔽：进程不在接收次信号(block)

递达：实际执行信号的处理动作称为信号递达(Delivery)

未决 ：信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决(Pending)。

每个进程的内核数据都有三张表。

block是位图0表示该信号未被屏蔽，1表示该信号被屏蔽了。

Pending也是位图0表示没有收到该信号，1表示收到了该信号但没有执行。

bandler是一张函数指针数组表，如果该函数要被递达了就会执行对应的方法，可以这些默认方法，也可以执行自定义方法。

需要注意的是Pending位图中没有计数的概念。也就是说，在一段时间内一种信号如果被发送了多次，那么也只会被递达一次。

信号的处理

CPU的内核态和用户态概述

CPU的内核态和用户态是操作系统中的两种重要状态，它们分别代表了CPU在执行不同类型程序时的权限和访问范围。

内核态是CPU的一种特权状态，也称为系统态或管态。在此状态下，CPU可以执行任何机器指令，包括访问和修改所有硬件设备的寄存器，执行内存管理等特权操作。

用户态是CPU的一种非特权状态，也称为目态。在此状态下，CPU只能执行非特权指令，不能直接访问硬件设备或执行特权操作。

	内核态（Kernel Mode）	用户态（User Mode）
定义	CPU的特权状态，可执行任何机器指令	CPU的非特权状态，只能执行非特权指令
权限	最高特权级别（通常为Ring 0）	较低特权级别（通常为Ring 3）
运行程序	操作系统内核代码	用户编写的应用程序和操作系统提供的用户接口程序
访问范围	可访问和修改系统的任何部分	只能访问和操作分配给它的资源
安全性	必须确保安全性和稳定性	权限较低，即使出现错误也不会对系统造成严重影响
切换方式	通过系统调用、异常和中断等方式实现	通过系统调用等方式请求操作系统服务时切换

cpu陷入内核后怎么找到内核的数据和代码呢？

在进程地址空间中0到3G是用户空间，3到4G是内核空间，所以进程的内核地址空间都会映射到同一块物理内存（这块物理内中是内核数据），只要CPU陷入内核就有权力访问地址空间中的内核空间。

地址空间示意图

需要注意的是，在执行用户代码是，CPU必须是用户态，因为用户代码中可能会有窃取数据，恶意攻击等非法操作。

进程处理信号的时机

红线以上是用户态，红线以下是内核态。蓝点是CPU切换用户态和内核态的时机，绿点是处理信号的时机。

在递达时该信号被屏蔽

一个信号在被处理时，该信号会被屏蔽。这样就保证了在处理某个信号时,如果这种信号再次产生,那么 它会被阻塞到当前处理结束为止。

实操篇

sigset_t

sigset_t 是一种数据类型，它涵括了上文的三张表。用于表示信号集，即一个或多个信号的集合。

<code>sigset_t 是处理信号时的一个重要数据类型，它允许程序灵活地指定和操作信号集合。通过与相关的函数结合使用，sigset_t 提供了强大的信号处理能力，使得程序能够更精确地控制信号的行为。

信号集操作函数

#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);

此函数用于初始化信号集，将其设置为空集，即不包含任何信号。如果操作成功，则返回0；如果发生错误，则返回-1。

int sigfillset(sigset_t *set);

此函数用于将信号集初始化为包含所有信号。这意味着，在调用此函数后，信号集将包含所有可能由系统发送的信号。如果操作成功，则返回0；如果发生错误，则返回-1。

int sigaddset(sigset_t *set, int signo);

此函数用于向信号集中添加一个信号。signo参数指定了要添加的信号编号。如果操作成功，则返回0；如果发生错误（例如，signo不是有效信号），则返回-1。

int sigdelset(sigset_t *set, int signo);

与sigaddset相反，sigdelset函数用于从信号集中删除一个信号。signo参数指定了要删除的信号编号。如果操作成功，则返回0；如果发生错误（例如，signo不是信号集中的成员），则返回-1。

int sigismember(const sigset_t *set, int signo);

此函数用于检查指定的信号编号（signo）是否属于信号集（set）。如果signo是信号集的成员，则返回1；如果不是，则返回0；如果发生错误（例如，set不是有效的信号集指针），则返回-1。

这些函数在信号处理中非常有用，特别是当需要阻塞或捕捉特定信号时。例如，可以在进行关键操作之前使用sigprocmask函数和sigemptyset/sigaddset来阻塞某些信号，以防止它们干扰这些操作。操作完成后，可以解除对这些信号的阻塞。

sigprocmask

#include <signal.h>

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

返回值:若成功则为0,若出错则为-1

调用函数

sigprocmask

可以读取或更改进程的信号屏蔽字

(

阻塞信号集

)

参数

how：指定如何更改信号屏蔽。这个参数可以是以下三个常量之一：

SIG_BLOCK：新的信号屏蔽是当前屏蔽与set指向的集合的并集。即，set中指定的信号将被添加到当前进程的屏蔽中。SIG_UNBLOCK：新的信号屏蔽是当前屏蔽与set指向的集合的差集。即，set中指定的信号将从当前进程的屏蔽中移除。SIG_SETMASK：新的信号屏蔽直接设置为set指向的集合。即，忽略当前进程的屏蔽，并使用set中指定的新屏蔽。

set：指向sigset_t类型的指针，表示要更改的信号集。如果how是SIG_SETMASK，则这个集合将直接成为新的信号屏蔽。如果how是SIG_BLOCK或SIG_UNBLOCK，则这个集合中的信号将被相应地添加到或从当前屏蔽中移除。

oset：如果此参数非空，则指向的sigset_t变量将被设置为函数调用前的信号屏蔽。这允许调用者保存旧的屏蔽并在以后恢复它。

返回值

成功时，sigprocmask返回0。失败时，返回-1，并设置errno以指示错误。

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

void handler(int sig) {

printf("Caught signal %d\n", sig);

}

int main() {

sigset_t set, oldset;

// 设置SIGINT的处理程序

signal(SIGINT, handler);

// 初始化信号集

sigemptyset(&set);

sigaddset(&set, SIGINT);

// 阻塞SIGINT

if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset) == -1) {

perror("sigprocmask");

return 1;

}

// 现在SIGINT被阻塞了，发送SIGINT信号不会调用handler

printf("SIGINT is blocked. Trying to send SIGINT...\n");

raise(SIGINT); // 尝试发送SIGINT信号，但不会被处理

// 恢复旧的信号屏蔽

if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, NULL) == -1) {

perror("sigprocmask");

return 1;

}

// 现在SIGINT不再被阻塞，发送SIGINT信号将调用handler

printf("SIGINT is unblocked. Trying to send SIGINT...\n");

raise(SIGINT); // 发送SIGINT信号，将调用handler

return 0;

}

sigpending

sigpending 函数是 POSIX 系统中用于查询当前进程阻塞（pending）的信号集合的接口。这些信号已经发送给进程，但由于某些原因（如信号被阻塞）而尚未被处理。通过调用 sigpending 函数，程序可以获取这些待处理的信号，并据此做出相应的处理。

#include <signal.h>

int sigpending(sigset_t *set);

参数

set：指向 sigset_t 类型的指针，用于存储查询到的待处理信号集合。

返回值

成功时，sigpending 返回 0。失败时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <string.h>

void print_sigset(const sigset_t *set) {

printf("Pending signals: ");

for (int i = 1; i < _NSIG; ++i) {

if (sigismember(set, i)) {

printf("%d ", i);

}

}

printf("\n");

}

int main() {

sigset_t pending;

// 查询待处理信号集合

if (sigpending(&pending) == -1) {

perror("sigpending");

return 1;

}

// 打印待处理信号集合

print_sigset(&pending);

return 0;

}

sigaction

sigaction 函数是 POSIX 系统中用于检查和更改与指定信号相关联的处理动作的函数。这个函数比早期用于相同目的的 signal 函数提供了更多的功能和灵活性。通过 sigaction，程序可以精确地指定信号的处理函数、设置信号处理的选项，并查询信号处理的当前状态。

#include <signal.h>

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

参数

signo：指定要操作的信号的编号。act：指向 struct sigaction 的指针，包含了新的信号处理动作。如果此参数为 NULL，则不会更改信号的处理动作，但可以用来查询当前的处理动作（如果 oact 非空）。oact：如果非空，指向一个 struct sigaction 变量，该变量用于存储调用 sigaction 之前信号的处理动作。这允许程序在更改信号处理动作之前保存它，以便将来恢复。

返回值

成功时，sigaction 返回 0。失败时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

struct sigaction 结构

struct sigaction 结构体通常包含以下字段（但具体实现可能有所不同）：

sa_handler：指向信号处理函数的指针。如果此字段非 NULL，则它是一个普通的信号处理函数。如果为 SIG_IGN，则忽略该信号。如果为 SIG_DFL，则使用信号的默认处理动作。sa_sigaction：一个指向函数的指针，该函数用于处理信号，并提供了对信号发生时的额外信息的访问（如 siginfo_t 结构）。这通常与 SA_SIGINFO 标志一起使用。sa_mask：一个信号集，指定了在执行信号处理函数期间应该被阻塞的信号。这允许信号处理函数在执行时不受其他信号的干扰。sa_flags：一个标志位集合，用于修改信号处理的行为。常见的标志包括 SA_RESTART（如果信号中断了一个系统调用，则自动重启它），SA_NODEFER（在执行信号处理函数时不自动阻塞该信号），和 SA_SIGINFO（使用 sa_sigaction 而不是 sa_handler）。sa_restorer：这个字段在现代系统中很少使用，通常被忽略。它最初用于指定一个函数，该函数将恢复被信号处理函数中断的系统调用的执行环境。

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

void signal_handler(int signum) {

printf("Caught signal %d\n", signum);

// 清理资源、关闭文件等操作...

exit(signum);

}

int main() {

struct sigaction act;

// 初始化信号处理结构体

memset(&act, 0, sizeof(act));

act.sa_handler = signal_handler;

// 忽略 SIGPIPE 信号（可选）

signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

// 设置 SIGINT 信号的处理函数

if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) == -1) {

perror("sigaction");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 主循环，等待信号

while (1) {

pause(); // 暂停执行，等待信号

}

return 0; // 实际上永远不会执行到这里

}

闹钟

alarm 函数是 UNIX 和类 UNIX 系统（包括 Linux）中用于设置定时器的一个函数，它定义在 <unistd.h> 头文件中。当你调用 alarm 函数并传递给它一个参数 seconds 时，该函数会设置一个定时器，该定时器在指定的秒数后到期。当定时器到期时，如果进程没有捕获 SIGALRM 信号（通过调用 signal 或 sigaction 函数设置信号处理函数），则进程会收到 SIGALRM 信号。如果进程捕获了该信号，那么可以执行一些特定的操作，比如清理资源、记录日志等。

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

参数

seconds：定时器到期前的秒数。如果 seconds 是 0，则任何当前设置的定时器都会被取消，但不会发送 SIGALRM 信号。

返回值

如果之前已经调用了 alarm 并且设置了定时器，alarm 函数会返回之前设置的剩余时间（秒），直到那个定时器到期。如果之前没有设置定时器，则返回 0。

注意事项

定时器重置：如果在一个已经设置了定时器的进程中再次调用 alarm，那么之前的定时器会被新的定时器替换。返回值是之前定时器的剩余时间（如果有的话）。

精度和限制：alarm 函数的精度和限制取决于系统的实现。在一些系统上，alarm 的精度可能较低，因为它基于系统的定时器中断。此外，一些系统可能对 alarm 可以设置的最大时间有限制。

与 sleep/pause 的交互：如果进程在调用 alarm 后调用了 sleep 或 pause，并且 alarm 定时器在 sleep 或 pause 期间到期，那么 sleep 或 pause 会被中断，并且进程会收到 SIGALRM 信号（如果未捕获）。

信号处理：为了处理 SIGALRM 信号，你需要使用 signal 或 sigaction 函数来设置信号处理函数。

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <signal.h>

void sigalrm_handler(int sig_num) {

printf("Alarm signal received\n");

// 在这里执行清理或其他操作

}

int main() {

// 设置 SIGALRM 信号的处理函数

signal(SIGALRM, sigalrm_handler);

// 设置 5 秒后的定时器

alarm(5);

// 暂停执行，等待定时器到期或信号

pause();

return 0;

}

signal 

在C语言中，signal 函数的原型可能因系统而异，但通常它遵循 POSIX 标准或类似的标准。不过，标准的 C 库（如 glibc）通常会在 <signal.h> 头文件中提供一个符合大多数系统需求的 signal 函数声明。

#include <signal.h>

void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

参数：

int sig：要处理的信号编号。void (*func)(int)：指向信号处理函数的指针，该函数接受一个整型参数（信号编号）并返回 void。返回值：

返回一个指向之前为该信号设置的信号处理函数的指针（也接受一个整型参数并返回 void），或者返回 SIG_ERR 以表示错误，并设置 errno 以指示错误原因。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <signal.h>

#include <unistd.h>

// 信号处理函数

void handler(int sig_num) {

printf("Caught signal %d\n", sig_num);

// 可以在这里执行清理操作或退出程序

exit(0); // 或者使用其他逻辑来响应信号

}

int main() {

// 设置 SIGINT 信号的处理函数

if (signal(SIGINT, handler) == SIG_ERR) {

// 如果 signal 调用失败，则打印错误信息并退出

perror("signal");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 程序的主循环或其他逻辑

while (1) {

printf("Waiting for signal...\n");

sleep(1); // 暂停一秒，以便可以看到信号何时被捕获

}

// 注意：实际上，由于我们在信号处理函数中调用了 exit，

// 所以这行代码永远不会被执行。

return 0;

}

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