Linux信号深度解剖：5种产生、3张表、4次切换

城北徐宫2026-06-06 23:24

文章目录

1、信号的认识

信号是一种由外部、其他人或硬件发送给进程的异步事件通知机制。严格来说也算进程间通信方式，但与IPC有很大不同，信号只负责通知进程。

linux下有32个普通信号，本文不探究34到64的实时信号。

信号的生命周期有三个阶段，1、信号产生；2、信号保持；3、信号处理。

信号的处理有三种方式，1、忽略；2、默认处理（退出进程）；3、自定义（捕捉）处理。

其中，9号信号（管理员信号）和19号信号不可被捕捉。

signal系统调用用于自定义信号处理行为：

cpp 复制代码 
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数：

  • signaum：需要捕捉的信号。
  • handler：函数指针类型，指向用于处理的函数，其参数为信号。
    返回值：
  • 成功：返回指向上一个处理信号函数的函数指针。
  • 失败：返回SIG_ERR，并设置errno。

信号的处理是由进程自己处理的。

更详细的信号内容使用man 7 signal查看。

2、信号产生

信号的本质：PCB中的一个位图。信号产生的本质：操作系统向位图写数字。无论那种产生方式，都是由操作系统完成的。

2.1、shell命令产生

kill -signal PID用于向目标进程发送信号，一段demo测试。

cpp 复制代码 
#include <signal.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

void hander(int sig)
{
    std::cout << "收到信号:" << sig << std::endl;
    exit(1);
}

int main()
{
    signal(2, hander);
    while(1)
    {
        std::cout << "pid: " << getpid() << " run..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

发送2号信号后就进行自定义处理方式。

kill命令最灵活，可以发送任意号信号给任意进程。

2.2、键盘产生

快捷键 信号 行为
Ctrl + c SIGINT(2) Term(退出进程)
Ctrl + </kbd> SIGQUIT(3) Core(退出并产生core dump)
Ctrl + z SIGSTOP(19) Stop(暂停进程)

细节1：core dump，会生成一个core文件，包含了调试信息，使用gdb program core可直接跳到程序崩溃位置，免去了打断点的过程。在云服务器中被云服务厂商禁用了，避免过多占用磁盘。

细节2：Core是异常退出，Term是用户发送信号退出。

细节3：19号信号暂停的进程变成后后台进程，不能读取键盘信息，只能用kill命令发送18号信号（SIGCONT）恢复。

2.3、硬件异常产生

常见的硬件异常有：除零异常和段错误。

CPU中的ALU 算术逻辑单元负责计算，当遇到除零异常时，ALU异常，操作系统一定要知道，因为操作系统是硬件的管理者。

CPU中CR3负责存储指向页表的地址，当访问空指针时，CR3和MMU异常（段错误），操作系统也能够知道。

使用signal捕捉后，证明除零异常和访问空指针会收到信号：

cpp 复制代码 
#include <signal.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

void hander(int sig)
{
    std::cout << "收到信号:" << sig << std::endl;
    exit(sig);
}

int main()
{
    signal(8 , hander);
    signal(11, hander);

    // 除零异常
    int a = 3;
    a /= 0;

    // 访问空指针
    // *(int*)nullptr = 1;
    return 0;
}

2.4、系统调用

kill：指定进程发送指定信号。

cpp 复制代码 
int kill(pid_t pid, int sig);

参数：

  • pid：目标进程。
  • sig：发送的信号。

手写kill命令：

cpp 复制代码 
#include <signal.h>
#include <iostream>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        std::cout << "Usage:" << argv[0] << "sig who" << std::endl;
        exit(1);
    }
    int sig   = atoi(argv[1]);
    pid_t pid = atoi(argv[2]);
    int n = kill(pid, sig);
    if(n == 0)
        std::cout << "Sucess!" << std::endl;
    return 0;
}

raise(C标准库函数)：特定进程（调用的进程）发送指定信号。

cpp 复制代码 
int raise(int sig);

参数：

  • sig：发送的信号。

该函数相当于kill(getpid(), sig)。

abort：特定进程（调用的进程）发送特定信号（6号SIGABRT）。

cpp 复制代码 
[[noreturn]] void abort(void);

相当于kill(getpid(), 6)。会参数core dump，常用于工程中主动留下调试信息。6号信号即使捕捉后不退出，也会再捕捉后自动退出。

2.5、软件条件产生

管道通信时，读端关闭，操作系统会发送信号杀死写端进程。详细见【管道通信深度剖析：从匿名管道到命名管道，手写进程池】。

alarm闹钟：

cpp 复制代码 
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

参数：

  • seconds：非0表示seconds秒后发送14号信号(SIGALRM)。为0则取消还没有发送的信号。

返回值：

  • 上一个闹钟超时剩余的时间。若没有上一个闹钟则返回0。

常见误区：在循环中设置闹钟，可能反复重置超时时间，永远不出发闹钟。

2.6、常用信号汇总

信号名 编号 默认动作 说明
SIGINT 2 Term Ctrl + c
SIGQUIT 3 Core Ctrl + </kbd>
SIGABRT 6 Core abort()
SIGFPE 8 Core 除零/浮点异常
SIGKILL 9 Term 强制终止
SIGSEGV 11 Core 段错误
SIGPIPE 13 Term 无读端的管道写
SIGALRM 14 Term alrm闹钟
SIGCONT 18 Cont 唤醒进程
SIGSTOP 19 Stop 暂停进程

3、信号保存

3.1、信号相关概念

  1. 信号递达(Delivery)：内核处理信号的动作。
  2. 信号未决(Pending)：从信号产生到信号递达之间的状态。
  3. 阻塞(Block)：被阻塞的信号将保持在未决状态，解除阻塞才能被递达。

阻塞不等于忽略，忽略是信号递达的具体一种处理方式，而被阻塞的信号将不会递达。

3.2、内核结构

内核对于阻塞、未决、递达维护了三张表（对应pending、blocked(block)、sighand(handler)）。

sigset_t是一个位图，又叫信号集，可以表示信号是否有效。 对信号的操作变成了对三张表的增删查改。pending和block表都是用sigset_t类型实现的。

handler表中存储函数指针类型，记录处理信号方法，默认为SIG_DFL（清理进程资源并退出进程，由0强转），忽略信号为SIG_IGN（由1强转）。

三张表关系：

block pending handler
0 0 不执行
0 1 执行
1 任何 不执行

block（阻塞信号集）又叫屏蔽字信号集，类比于umask。

3.3、信号集操作函数

cpp 复制代码 
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);
  1. sigemptyset：初始化set指向的信号集，使位图中的每一个数位清0。
  2. sigfillset：初始化set指向的信号集，使位图中每一位数位置1。
  3. sigaddset：set指向的信号集中，使signo信号对应数位置1。
  4. sigdelset：set指向的信号集中，使signo信号对应数位置0。
  5. sigmember：判断set指向的信号集中signo是否为1。

读取或更改屏蔽字信号集：

cpp 复制代码 
int sigprocmask(int how, const sigset_t *_Nullable restrict set,sigset_t *_Nullable restrict oldset);

参数：

  • how：通常传递宏SIG_BLOCK(新增屏蔽字，block |= set)、SIG_UNBLOCK(删除屏蔽字，block &= ~set)、SIG_SETMASK(覆盖屏蔽字信号集，block = set)。
  • set：输入型参数。
  • oldset：输出型参数，被设置为修改前的屏蔽字信号集。

sigpending用于获取当前进程的pending表位图：

cpp 复制代码 
int sigpending(sigset_t *set);

参数：

  • set：输出型参数，将内核中pending位图复制到set指向的信号集中。

3.4、查看屏蔽与未决

按照一下流程可看到信号集变化的过程。
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查看信号集
屏蔽2号信号
发送2号信号
查看信号集
解除屏蔽
查看信号集

具体实现如下：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <unistd.h>

void PrintSig(sigset_t& set)
{
    for(int i = 31; i > 0; --i)
    {
        if(sigismember(&set, i))
            std::cout << 1;
        else
            std::cout << 0;
    }
    std::cout << std::endl;
}

// 全局变量方便handler函数使用。
sigset_t pendding, block, oldblock;
void hander(int sig)
{
    std::cout << "收到信号:" << sig << std::endl;
    PrintSig(pendding);
}

int main()
{
    signal(2, hander);
    
    sigpending(&pendding);
    PrintSig(pendding);

    sigemptyset(&block);
    sigaddset(&block, 2);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oldblock); 
    
    kill(getpid(), 2);

    sigpending(&pendding);
    PrintSig(pendding);

    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldblock, nullptr);

    sigpending(&pendding);
    PrintSig(pendding);
    return 0;
}

结果：

bash 复制代码 
0000000000000000000000000000000
0000000000000000000000000000010
收到信号:2
0000000000000000000000000000010
0000000000000000000000000000000

得出结论：解除信号后，信号立即被处理；先处理信号，后将pending相关位置0。

4、信号处理

4.1、信号处理时机

虚拟地址空间（32位）中，0～3GB称为用户态空间；3GB～4GB被称为内核态空间。

信号处理都是内核做的，因此无论怎么处理都是在内核态空间完成的。

典型场景：

  1. 系统调用完成后。
  2. 中断处理完成后。
  3. 进程被调度再次获得CPU时。

内核在返回用户态之前调用do_signal()函数，检查当前进程的pending和block表。

  • 若无信号可递达，则直接返回。
  • 若有信号且未被阻塞，则递达信号。

4.2、信号处理流程

默认处理：清理task_struct，并退出进程。

忽略：清理pending表后直接返回用户态。

自定义处理流程：

自定义处理需要4次状态切换：

  1. 进入内核态处理某种事件，用户态->内核态；
  2. 处理完后，判断是否执行信号处理，保存上下文，返回用户态执行处理逻辑，内核态->用户态；
  3. 处理完后，进入内核态加载上下文，用户态->内核态；
  4. 加载完后，返回用户态继续执行主流程，内核态->用户态；

5、总结

  1. 信号定义：异步时间通知机制，不传数据，与信号量无关。
  2. 生命周期：产生->未决->递达。
  3. 产生方式：键盘、命令、硬件异常、系统调用、软件条件。
  4. 内核三张表：block(屏蔽字)、pending(未决)、handler(处理函数)。
  5. 阻塞 不等于 忽略：阻塞阻止信号递达，忽略时递达后的一种处理方式。9、19号信号不可忽略/捕捉/阻塞。
  6. 处理时机：内核态->用户态时检查。自定义捕捉4次状态切换。
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