【Linux】进程信号（上半）

当我们想要强行终止掉前台进程的时候，只需要按下Ctrl+c即可，但是Ctrl+c是如何精准杀掉前台进程的？

一、信号概念

1.如何理解信号

假设点了一份外卖，外卖员到了楼下会给你发信息或者打电话，那么这通电话或者这个信息就是信号，也就是**用来提醒你需要去做某事的一种通知手段。**那么对照Linux系统，信号就是内核向进程发送的通知，提醒进程需要去完成某个任务。

2.信号的特点

对照外卖例子，当点完外卖，我们肯定不会一直在门口等着外卖员，而是先忙手中的事情，比如打游戏，那么这个过程就叫做异步 （信号由外卖员（内核）随时发出，但是对比同步 的阻塞等待，我们会先解决手头的事情），等外卖员真正的到了楼下打来电话，如果我们手头事情没忙完，我们也会先等手头事情完成才会去取外卖，这就是Linux中信号的延迟性/合适时机处理， 当然取外卖是默认动作，外卖也可能是买来送给女神的或者送给兄弟的，此时对于外卖就有了多种处理方式，这也是Linux中信号处理的可配置性。

综上，初步地可以了解到信号具有异步性 、延迟性 以及可配置性。

3.认识信号

聊完了信号的抽象模型（外卖），那么真正的信号长什么样呢？在bash中我们输入kill -l就可以调出全部信号

kill -l

可以看到一共有62个信号（没有32、33），前31个信号叫做普通信号，后31个信号称为实时信号，这里只谈普通信号。

1 SIGHUP（挂起信号）：终端断开触发，默认终止进程，nohup可让进程忽略实现后台常驻。

2 SIGINT（中断信号）：Ctrl+C手动触发，默认终止进程，支持捕获实现优雅退出。

3 SIGQUIT（退出信号）：Ctrl+\触发，默认终止进程并生成core核心转储文件，用于调试。

4 SIGILL（非法指令信号）：进程执行CPU无法识别指令触发，默认终止+核心转储。

5 SIGTRAP（陷阱信号）：调试断点专用，gdb断点触发，默认终止+核心转储。

6 SIGABRT（异常终止信号）：调用abort()函数触发，默认终止+核心转储，程序主动报致命错误。

7 SIGBUS（总线错误信号）：内存访问对齐/硬件总线故障触发，默认终止+核心转储。

8 SIGFPE（浮点异常信号）：浮点运算错误（除0/溢出）触发，默认终止+核心转储。

9 SIGKILL（终止信号）：kill -9专用，强制终止进程，不可捕获、不可忽略。

10 SIGUSR1（用户自定义信号1）：无默认触发场景，用户自定义使用，默认终止进程。

11 SIGSEGV（段错误信号）：非法内存访问（越界/空指针）触发，默认终止+核心转储。

12 SIGUSR2（用户自定义信号2）：无默认触发场景，用户自定义使用，默认终止进程。

13 SIGPIPE（管道破裂信号）：向无读端的管道/套接字写数据触发，默认终止进程。

14 SIGALRM（闹钟信号）：alarm()设置的定时到期触发，默认终止进程。

15 SIGTERM（终止信号）：kill默认发送信号，默认终止进程，支持捕获实现优雅退出。

16 SIGSTKFLT（栈错误信号）：协处理器栈溢出触发，默认终止进程，x86架构基本不用。

17 SIGCHLD（子进程状态变化信号）：子进程退出/暂停/恢复触发，默认忽略，用于父进程回收子进程资源。

18 SIGCONT（继续信号）：bg/fg/kill -CONT触发，恢复暂停进程，不可忽略。

19 SIGSTOP（暂停信号）：Ctrl+Z/kill -STOP触发，强制暂停进程，不可捕获、不可忽略。

20 SIGTSTP（终端暂停信号）：Ctrl+Z手动触发，默认暂停进程，支持捕获。

21 SIGTTIN（终端读信号）：后台进程尝试读终端输入触发，默认暂停进程。

22 SIGTTOU（终端写信号）：后台进程尝试写终端输出触发，默认暂停进程。

23 SIGURG（紧急数据信号）：套接字收到紧急数据触发，默认忽略。

24 SIGXCPU（CPU超时信号）：进程超出CPU使用限制触发，默认终止+核心转储。

25 SIGXFSZ（文件大小超限信号）：进程写入文件超出大小限制触发，默认终止+核心转储。

26 SIGVTALRM（虚拟闹钟信号）：进程虚拟运行时间定时到期触发，默认终止进程。

27 SIGPROF（性能分析信号）：进程CPU使用+系统调用时间定时到期触发，默认终止进程。

28 SIGWINCH（窗口大小变化信号）：终端窗口大小调整触发，默认忽略，用于程序适配窗口尺寸。

29 SIGIO（IO就绪信号）：文件/套接字IO就绪触发，默认终止进程，用于异步IO。

30 SIGPWR（电源故障信号）：系统电源异常触发，默认终止进程，部分系统用于电源管理。

31 SIGSYS（非法系统调用信号）：进程执行无效系统调用触发，默认终止+核心转储。

（内容参考AI大模型）

4.信号状态

对于一个进程而言，收到信号可以延迟处理或者条件满足的时候立即处理，那么此时信号就有了几种不同的状态:

未决 ：信号已产生并由内核记录，因进程屏蔽该信号或正处理同类型信号，暂未被进程处理的状态，信号处于未决队列中。

递达：信号从内核传递到进程，且进程成功执行该信号对应处理动作（默认 / 自定义 / 忽略）的过程，是信号处理的最终完成状态。

阻塞：进程通过信号集主动设置 "屏蔽"，让内核暂不将指定信号递达，被阻塞的信号会进入未决状态，解除阻塞后才会正常递达处理（阻塞≠忽略，信号不会丢失）。

二、信号相关接口调用

1.信号的捕获

1.1信号的处理方式

前面提到进程对于一个信号可以有多种处理方式，但是内核需要有默认处理方式保证信号的存在意义，其实对于信号处理可以大致分为三类：

默认：执行内核为该信号预设的处理动作，如终止、暂停、核心转储等，是信号的基础处理逻辑，保证无自定义处理时信号仍有实际意义。

忽略：进程收到信号后不执行任何操作，信号直接被丢弃，仅标记为处理完成，无任何附加行为。

其他：进程自定义信号处理函数，收到信号后执行开发者编写的业务逻辑，实现信号的个性化处理，如优雅退出、资源释放等。

1.2信号的捕获

已知信号有多种处理方式，但是我们如何改变信号处理方式使其按照我们的预期进行处理呢？

接口认识

这里需要引入一个新的接口：signal()

通过手册查找可以看到signal接口需要传入两个参数，第一是signum，对照前面的信号表(kill -l），这里的signum也就是信号对应的编号，可以直接传入数字也可以使用编号对应的宏定义，第二个参数则是一个返回值为void，带有一个int参数的函数指针，接口执行后会将信号的默认处理改为指定函数。若传入SIG_DFL（宏，代表默认处理）或SIG_IGN（宏，代表忽略信号），则会恢复信号的默认行为或设置为忽略。

代码实践

有了以上认识，我们就可以对进程接收到的信号进行捕获并且执行自定义函数，由于前面的概念，Ctrl+c发送的是SIGINT信号，我们对其进行尝试捕捉：

#include<signal.h>
#include<iostream>
void handler(int sig){
    std::cout<<"我是进程"<<getpid()<<",我收到了信号"<<sig<<std::endl;
}
int main(){
    signal(SIGINT,handler);
    while(true){}
}

编译成可执行程序并且运行：

可以看到此时我们进行Ctrl+c组合键强行杀掉进程的时候进程并没有被杀掉，而是执行了我们的自定义函数，此时我们可以用Ctrl+\(SIGQUIT)进行进程关闭，但是此时也衍生了一个问题：假如所有的信号都被捕获，那么进程岂不是可以肆无忌惮的运行，一直消耗系统资源？其实操作系统对此早有预防，Linux内核规定kill -9(SIGKILL)信号无法被捕获，为系统稳定性留了一张底牌，同样可以进行代码验证：

通过手册查询，可以看到若signal()调用出错，则返回 SIG_ERR，并且留下一个错误码：

#include<signal.h>
#include<iostream>
void handler(int sig){
    std::cout<<"我是进程"<<getpid()<<",我收到了信号"<<sig<<std::endl;
}
int main(){
    for(int i=1;i<=31;i++){
        if(signal(i,handler)==SIG_ERR){
            perror("signal failed : ");
        }
        else std::cout<<i<<"signal success"<<std::endl;
    }
}

lsir@iZ2vc8wsdyzvsm68d9hqgbZ:~/learing/sig$ ./a.out
1signal success
2signal success
3signal success
4signal success
5signal success
6signal success
7signal success
8signal success
signal fiiled : : Invalid argument
10signal success
11signal success
12signal success
13signal success
14signal success
15signal success
16signal success
17signal success
18signal success
signal fiiled : : Invalid argument
20signal success
21signal success
22signal success
23signal success
24signal success
25signal success
26signal success
27signal success
28signal success
29signal success
30signal success
31signal success

可以看到，31个信号，绝大多数都成功修改处理，但是其中9(SIGKILL)和19(SIGSTOP)无法进行修改，显示Invalid argument（无效参数），说明传入的9和19参数不支持修改，其中信号19是进程暂停的信号，同信号9属于内核强制管控的信号，防止程序恶意利用。

补充

当我们使用键盘触发的信号（如 Ctrl+C、Ctrl+\、Ctrl+Z） 只能发送给前台进程，当我们在使用一个终端的时候，只能存在一个前台进程，而我们通过键盘触发的信号也只会发送给这个前台，结合信号知识就解释了开头的问题：为什么Ctrl+c能精准杀掉进程？因为当我们进行Ctrl+c操作的时候，**内核会向唯一的前台进程发送SIGINT信号，待进程收到信号进行默认处理的时候，进程就会自动退出。**而对于终端中的前后台进程，我们可以通过 fg、bg 命令灵活实现进程的前后台状态切换，配合 jobs 命令可查看当前终端的所有进程作业状态。

# 1. 启动前台进程，按Ctrl+Z暂停（触发SIGTSTP，状态变为Stopped）
sleep 100
^Z  # 按下Ctrl+Z，输出如下
[1]+  Stopped                 sleep 100

# 2. 用jobs查看作业（确认作业号和状态）
jobs -l
[1]+  12345 Stopped                 sleep 100  # [1]是作业号，12345是PID

# 3. bg：将暂停的作业恢复为后台运行
bg %1  # 或简写bg 1、bg（无参数，默认处理+标记的作业）
[1]+  sleep 100 &  # 输出表示作业已在后台运行

# 4. fg：将后台作业调回前台
fg %1  # 或简写fg 1、fg
sleep 100  # 此时进程回到前台，占用终端，按Ctrl+C可终止

2.信号发送

kill接口

kill在Bash和C语言层面都有对应封装，但是用法大同小异

Bash命令行解释器

在Bash我们可以直接进行kill命令向指定进程发送指定信号，格式：

kill [信号] <PID/作业号>，例如kill -9 12345就代表向pid为12345的进程发送9(SIGKILL)信号，使其强行终止。

C语言

同样通过手册查询可以看到kill接口需要进行两个参数传入：pid和sig，与Bash中的kill用法大同小异kill -9 12345->kill(12345,9)。虽然和Bash中的kill是不同层面的封装，但是其系统调用接口一致，因此可以尝试用C语言封装的kill接口自制Bash中的kill：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
// mykill -signumber pid
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc != 3)
{
std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " -signumber pid" << std::endl;
return 1;
}
int number = std::stoi(argv[1]+1); 
pid_t pid = std::stoi(argv[2]);
int n = kill(pid, number);
return n;
}

raise接口

raise是C语言封装的一个向caller(当前进程)发送信号的一个接口，参数传入需要发送的信号编号即可，代码示例：

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

void handler(int signumber)
{
std::cout << "获取了一个信号: " << signumber << std::endl;
}
// mykill -signumber pid
int main()
{
signal(2, handler); // 先对2号信号进⾏捕捉
// 每隔1S，⾃⼰给⾃⼰发送2号信号
while(true)
{
sleep(1);
raise(2);
}
}

$ g++ raise.cc -o raise
$ ./raise
获取了⼀个信号: 2
获取了⼀个信号: 2
获取了⼀个信号: 2

abort接口

abort() 是 C 标准库函数（头文件 <stdlib.h>），核心作用是让进程立即异常终止，底层是向当前进程发送信号6(SIGABRT)，并且该终止行为无法被捕获（即便执行前使用signal进行捕捉设置，会先执行你注册的 SIGABRT 自定义处理函数，执行完后再强制终止进程）。

alarm接口

调⽤ alarm 函数可以设定⼀个闹钟,也就是告诉内核在 seconds 秒之后给当前进程发
SIGALRM 信号，该信号的默认处理动作是终⽌当前进程。
这个函数的返回值是0或者是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。打个⽐⽅,某⼈要⼩睡⼀觉,设定闹
钟为30分钟之后响,20分钟后被⼈吵醒了,还想多睡⼀会⼉,于是重新设定闹钟为15分钟之后响,"以
前设定的闹钟时间还余下的时间"就是10分钟。如果seconds值为0,表⽰取消以前设定的闹钟,函数
的返回值仍然是以前设定的闹钟时间还余下的秒数。
利用该接口可以简单感受一下IO操作与单纯CPU计算之间的速度差距：

//IO多
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int main()
{
int count = 0;
alarm(1);
while(true)
{
std::cout << "count : "
<< count << std::endl;
count++;
}
return 0;
}
//纯计算，IO少
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int count = 0;
void handler(int signumber)
{
std::cout << "count : " <<
count << std::endl;
exit(0);
}
int main()
{
signal(SIGALRM, handler);
alarm(1);
while (true)
{
count++;
}
return 0;
}

//多IO
... ...
count : 107148
count : 107149
Alarm clock
//纯计算，少IO
$ g++ alarm.cc -o alarm
$ ./alarm
count : 492333713

CPU 运算属于计算机内部核心硬件的指令执行与数据处理 ，全程在主机箱内的处理器 / 内存总线上完成；而 IO（输入 / 输出）是计算机核心计算部件与外部存储设备的数据交换，属于主机与外设的通信行为。通过这个简单的实验可以清楚感知到IO操作相对于内部硬件在操作效率上清晰的差距。