Linux 信号机制深度解析：从基础概念到实战应用

引言

在 Linux 系统中，信号（Signal）作为一种异步通信机制，扮演着进程间交互与系统事件通知的关键角色。它如同软件层面的 "中断"，能够打断进程的正常执行流，触发预设的处理逻辑。本文将从信号的基本概念出发，结合代码示例与实战场景，深入解析信号的发送、处理、屏蔽等核心机制，帮助读者掌握 Linux 信号的全流程管理。

一、信号基础：软件中断的本质

1. 信号的定义与作用

信号 是 Linux 系统中用于异步通知进程的事件机制，本质是一个整数（信号编号）。它可以由硬件事件（如键盘中断）、系统内核（如内存访问错误）或用户进程（如kill命令）产生，用于：

• 通知进程异步事件（如文件就绪、定时器超时）。

• 强制进程终止或暂停（如SIGKILL、SIGSTOP）。

• 实现进程间通信（轻量级 IPC）。

2. 信号的命名与分类

• 编号与名称 ：通过kill -l命令可查看 62 个信号，前 31 个为非实时信号 （不可靠，可能丢失），后 31 个为实时信号（可靠，按顺序排队处理）。

• 常用信号

  信号编号	名称	描述
  2	SIGINT	Ctrl+C 终止进程（可捕获、忽略）
  9	SIGKILL	强制终止进程（不可捕获、忽略）
  14	SIGALRM	闹钟超时（常用于定时任务）
  17	SIGCHLD	子进程状态改变（如终止、暂停，用于父进程回收僵尸）
  15	SIGTERM	优雅终止进程（默认处理，可捕获）

3. 信号的生命周期

1. 产生 ：通过硬件、内核或kill/raise函数触发。

2. 未决（Pending）：信号已产生但未被处理，存储于进程的未决信号集。

3. 递送（Delivery）：信号被递送给进程，触发处理逻辑（默认、忽略或捕获）。

二、信号处理：捕获、忽略与默认

1. 信号处理方式

• 默认处理 ：系统预设行为（如SIGINT默认终止进程）。

• 忽略处理 ：进程对信号不做响应（SIGKILL和SIGSTOP不可忽略）。

• 捕获处理：进程通过自定义函数处理信号（需注册信号处理函数）。

2. 信号处理函数注册

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

• 参数

  • signum：信号编号。

  • handler：处理方式（SIG_IGN忽略，SIG_DFL默认，或自定义函数指针）。

• 返回值 ：成功返回旧处理方式，失败返回SIG_ERR。

示例：捕获SIGINT信号

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
​
void sigint_handler(int signum) {
    printf("Caught SIGINT (signal %d)\n", signum);
}
​
int main() {
    signal(SIGINT, sigint_handler); // 注册捕获函数
    printf("Press Ctrl+C to trigger SIGINT...\n");
    while (1) sleep(1);
    return 0;
}

三、僵尸进程与信号驱动回收

1. 僵尸进程的成因

子进程终止后未被父进程回收，残留进程描述符（状态为Z），占用系统资源。

2. SIGCHLD信号与异步回收

• 子进程状态改变时，内核向父进程发送SIGCHLD信号。

• 父进程通过捕获该信号，在处理函数中调用waitpid回收僵尸。

示例：信号驱动回收僵尸进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
​
void sigchld_handler(int signum) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) { // 非阻塞回收所有僵尸
        printf("Zombie reaped\n");
    }
}
​
int main() {
    signal(SIGCHLD, sigchld_handler); // 注册信号处理函数
    
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        if (fork() == 0) { // 子进程
            _exit(0); // 立即终止，成为僵尸
        }
    }
    
    while (1) sleep(1); // 父进程循环等待
    return 0;
}

四、信号发送与进程控制

1. 命令行发送信号：kill

kill [-信号编号或名称] PID        # 向指定PID进程发送信号
kill -9 PID                      # 强制终止进程（SIGKILL）
kill -SIGTERM PID                 # 优雅终止进程（默认信号）

2. 系统调用发送信号

kill()：向指定进程发送信号

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int signum);

• pid > 0：发送给指定 PID 进程。

• pid = -1：发送给所有有权限的进程（慎用）。

raise()：向自身发送信号

#include <signal.h>
int raise(int signum); // 等价于 kill(getpid(), signum)

示例：父子进程信号交互

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
​
int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) { // 子进程
        sleep(2);
        printf("Child sending SIGUSR1 to parent (PID %d)\n", getppid());
        kill(getppid(), SIGUSR1); // 向父进程发送自定义信号
    } else { // 父进程
        signal(SIGUSR1, [](int s) { printf("Parent received SIGUSR1\n"); });
        printf("Parent waiting for signal...\n");
        pause(); // 阻塞等待信号
    }
    return 0;
}

五、信号与进程状态控制

1. 暂停与唤醒进程

pause()：无限阻塞直到信号到达

#include <unistd.h>
int pause(); // 返回-1，errno设为EINTR（被信号中断）

kill -STOP/CONT：暂停与恢复进程

kill -STOP PID  # 暂停进程（状态变为T）
kill -CONT PID  # 恢复进程（状态变为S/R）

2. 定时器与闹钟：alarm与sleep

alarm(seconds)：设置定时器，到期发送SIGALRM

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds); // 返回旧闹钟剩余时间

sleep(seconds)：睡眠并响应信号

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds); // 提前唤醒返回剩余秒数

六、信号集与屏蔽机制

1. 信号集操作

信号集（sigset_t）用于批量管理信号，常见操作：

#include <signal.h>
sigset_t set;
sigemptyset(&set);       // 清空信号集
sigaddset(&set, SIGINT); // 添加信号
sigdelset(&set, SIGQUIT);// 删除信号
int is_member = sigismember(&set, SIGINT); // 检查信号是否存在

2. 信号屏蔽：sigprocmask

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

• how

  • SIG_BLOCK：添加信号到掩码（阻塞未决）。

  • SIG_UNBLOCK：从掩码中移除信号（允许递送）。

  • SIG_SETMASK：设置新掩码。

示例：屏蔽信号确保临界区安全

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
​
void critical_section() {
    sigset_t mask, old_mask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGINT); // 屏蔽SIGINT
    
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &old_mask); // 应用屏蔽
    
    printf("Entering critical section (masked SIGINT)\n");
    sleep(5); // 模拟临界操作
    
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL); // 恢复旧掩码
    printf("Exited critical section\n");
}
​
int main() {
    critical_section();
    return 0;
}

七、信号的继承与恢复

1. fork后的信号处理继承

子进程继承父进程的信号处理方式：

• 父进程捕获的信号，子进程同样捕获。

• 父进程忽略的信号，子进程同样忽略。

2. exec后的信号处理重置

新进程（exec创建）的信号处理恢复为默认，除了被忽略的信号（继续忽略）。

八、实战场景：信号的典型应用

1. 定时任务：闹钟与信号结合

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
​
void alarm_handler(int signum) {
    printf("Alarm triggered!\n");
    alarm(2); // 重置闹钟
}
​
int main() {
    signal(SIGALRM, alarm_handler);
    alarm(2); // 设置2秒闹钟
    
    while (1) {
        printf("Working...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2. 优雅退出：捕获SIGTERM

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
​
volatile int running = 1;
​
void sigterm_handler(int signum) {
    printf("Received SIGTERM, shutting down...\n");
    running = 0;
}
​
int main() {
    signal(SIGTERM, sigterm_handler);
    
    while (running) {
        printf("Running...\n");
        sleep(1);
    }
    printf("Exited gracefully\n");
    return 0;
}

九、总结：信号机制的核心脉络

模块	关键知识点
基础概念	信号编号、分类（实时 / 非实时）、生命周期（产生 - 未决 - 递送）。
处理方式	默认、忽略、捕获（signal函数），信号处理函数的异步执行。
僵尸回收	SIGCHLD信号驱动，waitpid非阻塞回收。
发送与控制	kill命令、kill()/raise()函数，进程暂停（STOP）与恢复（CONT）。
高级特性	信号集（sigset_t）、屏蔽机制（sigprocmask）、定时与临界区保护。

信号机制是 Linux 系统的重要组成部分，合理运用信号能显著提升程序的健壮性与交互性。在实际开发中，需注意信号的异步特性、不可靠信号的潜在丢失问题，以及多信号处理时的竞态条件，确保系统稳定运行。