Linux进程信号

本节重点：

1. 掌握Linux信号的基本概念。

2. 掌握信号产⽣的⼀般⽅式。

3. 理解信号递达和阻塞的概念，原理。

4. 掌握信号捕捉的⼀般⽅式。

5. 了解中断过程，理解中断的意义

6. 掌握操作系统运⾏，系统调⽤原理，理解缺⻚异常或其他软件异常的基本原理

7. 重新了解可重⼊函数的概念。

8. 了解竞态条件的情景和处理⽅式。

9. 了解SIGCHLD信号，重新编写信号处理函数的⼀般处理机制。

内容预览

信号是 Linux 中进程收到"异步通知"的机制，本质上是一种软中断。 正式定义就是："信号是进程之间事件异步通知的一种方式，属于软中断。"

异步：不是你程序按顺序主动调用的，可能在你程序执行的任何位置突然来
软中断：它不像键盘、网卡那样是硬件直接中断 CPU，而是 OS 用软件机制通知进程

可以把它记成：

某个事件发生了 → 内核通知进程 → 进程在合适的时候处理。

这里最重要的是"异步 "二字。因为信号不是按你程序正常调用流程来的，它可能在你程序执行的任何位置突然到来。前台进程在运行过程中用户随时可能按下 Ctrl+C，所以信号相对于进程控制流程来说是异步的。

信号快速认识

五个结论：

第一，进程天生就能识别信号。

就像你知道"快递到了"是什么意思一样，进程识别信号是内核预先设计好的能力。识别信号是内置的，是内核程序员写进去的。

第二，信号的处理方式在信号产生前就已经准备好了。

不是说收到信号后才临时决定怎么办，而是早就规定好了：

默认处理
忽略
自定义处理
处理方法在信号产生之前已经准备好了。

第三，信号不一定立刻处理。

你正在打游戏，快递到了，不一定马上下楼；进程正在执行更重要的事，也不一定马上响应。不会立即处理，而是在合适的时候处理。

第四，信号产生后需要先"记住"。

这就引出了后面要学的**pending（未决）**概念。先记下来，等时机合适再处理。

第五，信号处理只有三类。

默认动作
忽略
自定义捕捉

Ctrl+C 到底发生了什么

前台程序运行时，按 Ctrl+C ，程序退出。这里你一定要会解释全过程：

用户在 Shell 中启动前台进程，按下 Ctrl+C 后，键盘输入先产生硬件中断，被操作系统解释成信号，再发送给前台进程，前台进程收到信号后退出。

4 步：

键盘按键触发硬件中断
操作系统拿到这个中断
OS 把它解释成某种信号
把信号发给前台进程

然后这个信号其实就是 SIGINT（2号信号）。明确说：Ctrl+C 的本质是向前台进程发送 SIGINT，即 2 号信号。

为什么注册了 handler 之后 Ctrl+C 不退出

复制代码

signal(SIGINT, handler);

然后按 Ctrl+C，进程不退出了，而是进入你写的 handler。这是因为：我们把 SIGINT 的默认处理动作，改成了自定义处理函数。

signal 函数只是设置处理方式，不是立即调用处理动作；如果后面这个信号一直没产生，这个函数也永远不会被调用。

这里常考：

signal 是"注册处理方式"，不是"触发信号处理"。

前台进程和后台进程

Ctrl+C 产生的信号只能发给前台进程，后台进程收不到这种终端控制键产生的信号。Shell 同时可以运行一个前台进程和多个后台进程。

信号概念与处理方式

1. 信号有哪些（知道常见的就行）

课件说每个信号都有一个编号和宏定义名，比如 SIGINT 定义为 2。34 号以上是实时信号，本章不讨论。

重点记下面这些常见信号

SIGINT：2，Ctrl+C，中断
SIGQUIT：3，Ctrl+\
SIGKILL：9，强制杀死
SIGSEGV：11，段错误
SIGALRM：14，闹钟超时
SIGTERM：15，终止
SIGCHLD：子进程退出时给父进程发
SIGTSTP：终端停止，常见 Ctrl+Z

不用背全表，但这些要会认。

信号处理的三种方式

处理动作有三种：

**忽略：**SIG_IGN

cpp 复制代码

signal(SIGINT, SIG_IGN);

那么 Ctrl+C 发来了，但进程不理它。课件示例中按了很多次 Ctrl+C，程序继续打印。

执行默认动作 SIG_DFL

cpp 复制代码

signal(SIGINT, SIG_DFL);

Ctrl+C 会按系统默认动作处理，一般就是终止进程。此处Ctrl+C 后进程退出

自定义捕捉

cpp 复制代码

就是把处理函数注册进去：

signal(SIGINT, handler);

以后 SIGINT 一到，内核就切到你的处理函数执行。这叫自定义捕捉（Catch）信号。

信号如何产生

1. 通过终端按键产生

三个最常见的：

Ctrl+C → SIGINT

Ctrl+\ → SIGQUIT

它可以发送终止信号，并生成 core dump 文件，方便事后调试。

Ctrl+Z → SIGTSTP

把当前前台进程挂起。此处按下 Ctrl+Z 后显示：

cpp 复制代码

[1]+ Stopped ./sig

说明进程被停止并放到后台作业中。

区分清楚

Ctrl+C：中断，通常让程序结束
**Ctrl+**：退出并可能 core dump
Ctrl+Z：挂起，不是终止

2.调用命令给进程发信号

kill 不是"杀死"的意思那么简单，本质是发送信号。

比如：

cpp 复制代码

kill -SIGSEGV pid
kill -11 pid

这两种写法都可以。

3、使用函数产生信号

（1）kill(pid, sig)

这是系统调用版本的发送信号。课件说明它可以给指定进程发送指定信号。

要会写基本原型：

int kill(pid_t pid, int sig);

（2）raise(sig)

给当前进程自己发送信号。它就是"自己给自己发信号"。

比如：

复制代码

raise(2);

就是自己给自己发 SIGINT。

（3）abort()

这个更特殊：abort() 会使当前进程收到固定的 SIGABRT（6号信号），即使你捕捉了它，最后还是会异常终止

abort 本质上就是让进程异常中止。

4. 软件条件产生信号：alarm

调用 alarm(seconds) 后，内核会在 seconds 秒后给当前进程发 SIGALRM，默认处理动作是终止进程。

函数原型

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

它的特点你要记住

只设置一次性闹钟
到时间发 SIGALRM
默认终止进程
返回值是上一个闹钟还剩多少秒

闹钟设置一次，起效一次；要重复闹钟，就要在处理函数中重新设置。

5. 硬件异常产生信号

除以 0 → CPU 检测到异常 → 内核解释成 SIGFPE
访问非法地址 → MMU 检测异常 → 内核解释成 SIGSEGV

必须建立这个认识

C/C++ 里的很多"运行错误"，在系统层面最终都表现为信号。

比如：

a /= 0; → SIGFPE
*p = 100; 且 p == NULL → SIGSEGV

总结：在 C/C++ 中，除零、内存越界等异常，在系统层面上，是被当成信号处理的。

Core Dump

1. 什么是 core dump

一个进程异常终止时，可以把用户空间内存数据保存到磁盘上，通常文件名是 core，这叫 Core Dump。

2. 有什么用

为了事后调试 。程序已经死了，但你可以用 gdb 打开 core 文件，查看程序死在哪儿。把这叫 Post-mortem Debug。

3. 默认为什么不开

默认不允许产生 core 文件，因为里面可能包含敏感信息，例如密码，不安全。

4. 如何打开

用：

ulimit -c 1024

去修改 shell 的资源限制。Shell 的 Resource Limit 会被子进程继承，所以从这个 Shell 启动的测试程序也能产生 core。

信号保存------pending 与 block（必须掌握）

1. 三个基本概念（必须掌握）

（1）递达 Delivery

真正执行信号处理动作，叫信号递达。

（2）未决 Pending

信号从产生到递达之间的状态，叫未决。

（3）阻塞 Block

进程可以选择阻塞某个信号；被阻塞的信号产生后，不会立刻递达，而是保持未决，直到解除阻塞。

2. 阻塞和忽略不是一回事（必须掌握）

这是非常容易考的点，提醒：

阻塞和忽略不同。

阻塞：信号先记着，不递达
忽略：信号递达后，处理动作选择"丢掉不处理"

一句话：阻塞发生在递达之前，忽略发生在递达时。

3. 信号在内核里怎么表示（必须理解）

结论：

每个信号都有：

一个 block 标志位：是否阻塞
一个 pending 标志位：是否未决
一个处理动作指针：默认/忽略/用户处理函数

而且信号产生时，内核是在进程控制块里设置该信号的未决标志，直到递达才清除。

这张图你应该这样理解：进程的 PCB 里相当于有三张表：

block 表：哪些信号现在不准递达
pending 表：哪些信号已经来了但还没处理
handler 表：这个信号来了之后该怎么处理

这就是信号机制的底层骨架。

普通信号为什么"来多次只记一次"（必须掌握）

常规信号在递达前产生多次，只计一次；实时信号则可以排队。

原因也很简单，因为普通信号在 pending 里本来就是一个 bit ，只有 0 和 1，没法记录次数。在 sigset_t 一节再次强调：每个信号只有一个 bit 的未决标志，不记录产生多少次。

普通信号不排队，实时信号才排队。

sigset_t 与信号集操作

1. 什么是 sigset_t

sigset_t 称为信号集 ，本质是一个位图，用 bit 表示某个信号是否有效。阻塞集合里表示是否阻塞，未决集合里表示是否未决。阻塞信号集还有个名字，叫信号屏蔽字（Signal Mask）。

2. 五个基本函数

sigemptyset

sigfillset

sigaddset

sigdelset

sigismember

功能：

sigemptyset：清空
sigfillset：全部置上
sigaddset：添加某个信号
sigdelset：删除某个信号
sigismember：检查某个信号是否在集合里

特别提醒：在使用 sigset_t 变量之前，必须先初始化。

3. `sigprocmask`

这是本章非常重要的系统调用。它可以读取或更改进程的信号屏蔽字（阻塞信号集）。

cpp 复制代码

#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

`how` 三种模式一定要记住

SIG_BLOCK：把 set 中的信号加入当前屏蔽字
SIG_UNBLOCK：把 set 中信号从当前屏蔽字去掉
SIG_SETMASK：直接把当前屏蔽字设置成 set

最重要一句

如果解除某些未决信号的阻塞，那么在 sigprocmask 返回前，至少会递达其中一个。

4. `sigpending`

作用是读取当前进程的未决信号集。

cpp 复制代码

 #include <signal.h>
 int sigpending(sigset_t *set);
读取当前进程的未决信号集,通过set参数传出。
调⽤成功则返回0,出错则返回-1

区分

sigprocmask：看/改 block
sigpending：看 pending

5. 实验

一个经典实验：先阻塞 SIGINT，然后按 Ctrl+C，程序每秒打印 pending 表。你会看到 2 号信号变成未决；等解除阻塞后，这个信号才被递达。

这个实验说明了什么

信号到了，不一定马上处理
被阻塞时，会进入 pending
解除阻塞后，才递达

这就是"产生 → 保存 → 处理"三阶段的直接证据。

信号捕捉

1. 捕捉信号的完整流程

结论：如果信号处理动作是用户自定义函数，那么信号递达时就调用这个函数，这叫捕捉信号。

按步骤解释：

程序本来在执行 main
因中断/异常/系统调用进入内核
在返回用户态前，内核检查到有信号要递达
内核不直接回到 main 原位置，而是先切到 sighandler
sighandler 返回时自动执行 sigreturn
如果没有新的信号，再恢复 main 的上下文继续执行

要抓住 3 个关键点

第一，handler 不是 main 调的。

它是内核在合适时机"插进来"的。

第二，handler 和 main 是两个独立控制流。

它们使用不同栈空间，不存在普通函数调用关系。

第三，信号通常是在"从内核返回用户态前"检查并递达的。

这个理解非常关键。

2. `sigaction`（必须掌握，优先于 signal）

原型：

cpp 复制代码

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

它的作用是读取和修改指定信号的处理动作。

为什么它比 signal 更重要因为它更完整、更标准，可以额外设置：

sa_handler
sa_mask
sa_flags

强调：

sa_handler = SIG_IGN → 忽略
sa_handler = SIG_DFL → 默认动作
sa_handler = 函数指针 → 自定义捕捉

`sa_mask` 的作用

当某个信号处理函数被调用时，内核会自动把当前这个信号 加入屏蔽字，避免它在处理过程中再次打断自己；如果还想额外屏蔽别的信号，就用 sa_mask 指定。处理函数返回后，原来的屏蔽字会自动恢复。处理某个信号时，内核会自动暂时阻塞该信号自身，防止处理函数重入。

操作系统是怎么跑起来的

1. 硬件中断

• 中断向量表就是操作系统的⼀部分，启动就加载到内存中了

• 通过外部硬件中断，操作系统就不需要对外设进⾏任何周期性的检测或者轮询

• 由外部设备触发的，中断系统运⾏流程，叫做硬件中断

键盘、网卡、磁盘这些设备一有事，不是 OS 自己一直问"你有事吗"，而是设备主动打断 CPU，OS 再去处理。

2. 时钟中断

提出问题：如果没有人按键，没有外设中断，操作系统靠谁推动？

答案就是：时钟中断 。内核代码片段说明定时器中断会进入调度逻辑，最终调用 schedule() 进行任务切换。

理解

时钟定期触发中断
内核借这个时机检查时间片
需要时就切换进程

所以操作系统能"自动调度"，靠的就是硬件时钟不断推动。说得直白点：操作系统在硬件的推动下自动调度。

3. 软中断、系统调用、异常

用户执行 int 0x80 或 syscall 进入内核，这本质上是触发软中断 ，我们叫陷阱
CPU 内部因除零、野指针等触发的软中断，叫异常
缺页异常、除零异常、非法内存访问，都会进入对应的内核处理流程

**中断、异常、系统调用，都会让 CPU 从用户态切到内核态。**而信号，很多时候正是内核对这些异常的"进程级通知手段"。

内容预览

信号快速认识

Ctrl+C 到底发生了什么

为什么注册了 handler 之后 Ctrl+C 不退出

前台进程和后台进程

信号概念与处理方式

1. 信号有哪些（知道常见的就行）

信号处理的三种方式

信号如何产生

4. 软件条件产生信号：alarm

函数原型

它的特点你要记住

5. 硬件异常产生信号

Core Dump

1. 什么是 core dump

2. 有什么用

3. 默认为什么不开

4. 如何打开

信号保存------pending 与 block（必须掌握）

1. 三个基本概念（必须掌握）

2. 阻塞和忽略不是一回事（必须掌握）

3. 信号在内核里怎么表示（必须理解）

普通信号为什么"来多次只记一次"（必须掌握）

sigset_t 与信号集操作

1. 什么是 sigset_t

2. 五个基本函数

3. sigprocmask

how 三种模式一定要记住

最重要一句

4. sigpending

区分

5. 实验

信号捕捉

1. 捕捉信号的完整流程

2. sigaction（必须掌握，优先于 signal）

sa_mask 的作用

操作系统是怎么跑起来的

1. 硬件中断

2. 时钟中断

理解

3. 软中断、系统调用、异常

3. `sigprocmask`

`how` 三种模式一定要记住

4. `sigpending`

2. `sigaction`（必须掌握，优先于 signal）

`sa_mask` 的作用