Linux 信号处理完整篇：从sigaction、掩码到内核发送与可重入排障

新时代牛马2026-09-09 16:52

SIGCHLD 收不到、EINTR 让 read 永远失败、handler 里调 printf 偶发死锁、多线程程序 pthread_kill 后行为诡异------根因往往在 信号语义（丢失/排队）、掩码与 pending 队列、handler 可重入边界，而不是业务逻辑本身。

信号是内核向进程/线程投递的异步软件中断 ：默认动作（终止/忽略/停止/继续）、自定义 handler、或阻塞等待。与硬件中断不同，信号处理发生在返回用户态 的路径上：内核不在中断上下文里直接调用你的 C 函数，而是修改用户栈、保存 ucontext，再跳转到 sa_handler。理解这一点，就能解释为何 handler 限制如此之多、为何 volatile sig_atomic_t 足够同步、为何 self-pipe 成为经典模式。

本文从 POSIX API → glibc → 内核 kernel/signal.c → arch/*/kernel/signal*.c 构建栈帧 → 用户 handler → rt_sigreturn 的完整链路，覆盖标准/实时信号、掩码、自管道、多线程、signalfd 与排障 Checklist。源 chapter（025--030）为提纲；正文按真实符号与 man 7 signal 重写。

源码锚点

路径/接口 作用
kernel/signal.c 发送、排队、出队、handle_signal、dequeue_signal
include/linux/sched/signal.h struct sigpending、k_sigaction、signal_struct
man 2 sigaction / rt_sigaction 注册 handler、SA_* 标志
man 2 sigprocmask / pthread_sigmask 阻塞/解除阻塞信号集
man 2 sigpending 查询 pending ∩ ~blocked
man 7 signal SA_RESTART、async-signal-safe 列表
man 2 signalfd 把信号转为 fd 事件，接入 epoll
arch/*/kernel/signal*.c 架构相关帧、setup_rt_frame、restore_sigcontext
kernel/exit.c 进程退出时向父进程发 SIGCHLD
include/uapi/asm-generic/signal.h sigaction、sigset_t 用户可见定义

signal_struct（线程组级）与 sighand_struct（共享 handler 表）在 signal.h 中定义：同一进程内多线程共享 sighand->action[]，但 blocked 每线程一份 。因此 sigaction 影响全进程 handler 表，而 sigprocmask 只影响调用线程。

内核侧 pending 与 action 骨架（简化）：

c 复制代码 
/* include/linux/sched/signal.h */
struct sigpending {
	struct list_head list;
	sigset_t signal;   /* 哪些信号 pending（标准信号按 bit） */
};

struct k_sigaction {
	struct sigaction sa;
};

/* task_struct 中（概念上）：
 *   blocked   --- 线程私有阻塞掩码
 *   pending   --- 线程私有 pending
 *   signal->shared_pending --- 线程组共享 pending（部分信号）
 *   sighand->action[] --- 各信号的 k_sigaction
 */

用户态注册 handler（禁止 再用已废弃的 signal()）：

c 复制代码 
#include <signal.h>
#include <string.h>

static void on_term(int sig, siginfo_t *info, void *ctx)
{
	(void)sig; (void)info; (void)ctx;
	/* 仅 async-signal-safe 调用 */
	const char msg[] = "got SIGTERM\n";
	write(STDERR_FILENO, msg, sizeof msg - 1);
}

static void install_handlers(void)
{
	struct sigaction sa;
	memset(&sa, 0, sizeof sa);
	sa.sa_sigaction = on_term;
	sigemptyset(&sa.sa_mask);
	sa.sa_flags = SA_SIGINFO;   /* 需要 siginfo 时 */
	/* sa.sa_flags |= SA_RESTART;  被信号打断的慢 syscall 自动重启 */

	sigaction(SIGTERM, &sa, NULL);
	sigaction(SIGINT,  &sa, NULL);
}

掩码与 pending 查询：

c 复制代码 
sigset_t set, old;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGUSR1);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &old);   /* 阻塞 SIGUSR1 */

sigset_t pend;
sigpending(&pend);                    /* 返回「已到达且仍 pending」的集 */

调用链

从 kill / sigaction 到 handle_signal

渲染错误: Mermaid 渲染失败: Parse error on line 16: ...义| P"setup_rt_frame() 压栈" P --> Q[ -----------------------^ Expecting 'SQE', 'DOUBLECIRCLEEND', 'PE', '-)', 'STADIUMEND', 'SUBROUTINEEND', 'PIPE', 'CYLINDEREND', 'DIAMOND_STOP', 'TAGEND', 'TRAPEND', 'INVTRAPEND', 'UNICODE_TEXT', 'TEXT', 'TAGSTART', got 'PS'

读链要点 ：信号发送 可在任意上下文（syscall、内核 timer、驱动）；递送 （运行 handler）几乎总在「即将返回用户态」时由 get_signal() 触发。因此 handler 不会嵌套在另一个 syscall 内核路径中间，但可能嵌套在另一个 handler 之后（若 SA_NODEFER 且同信号再次到达）。

信号屏蔽、pending 与实时队列数据流

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递送判定
目标 task_struct
发送侧
是
否
kill / 内核内部
send_signal
shared_pending 线程组
pending 线程私有
sigqueue 链表

(实时信号 + siginfo)
sigset_t bit

(标准信号合并)
sig 在 blocked?
保持 pending 等待解除阻塞
get_signal → handle_signal
sigprocmask BLOCK
blocked 置位
sigprocmask UNBLOCK
blocked 清位 → 可能立即递送
sigpending
读 pending 快照

重点知识

1. 标准信号 vs 实时信号

POSIX 把 1--31 划为标准信号 ，SIGRTMIN--SIGRTMAX（Linux 上通常 32--64）为实时信号。二者在内核数据结构上的差异直接决定应用语义：

维度 标准信号 1--31 实时信号 SIGRTMIN--SIGRTMAX
排队 不排队：同号多次发送可能只保留 1 次 pending bit 排队 ：每次 kill 分配 sigqueue，链表 FIFO
携带信息 一般无完整 siginfo（SA_SIGINFO 时部分可用） 每次带 si_code/si_pid/用户指针等
默认 handler 多为终止/忽略/停止 默认终止
典型用途 生命周期 SIGTERM/SIGCHLD/SIGPIPE 自定义事件、线程间带数据通知
资源上限 占 pending bit，无单独配额 受 RLIMIT_SIGPENDING 约束

SIGKILL/SIGSTOP 不可捕获、不可阻塞、不可忽略 ------内核保证管理员/父进程能终止或暂停失控任务；优雅退出用 SIGTERM 并 wait 超时，再 SIGKILL。SIGCONT 与 SIGSTOP/SIGTSTP 成对，用于 job control。

设计启示 ：需要「计数型」通知（如完成了 N 个任务）不要用标准信号裸奔，应改用实时信号、eventfd、或 pipe 字节流。

2. sigaction 与 SA_RESTART

sigaction(2) 替代已废弃的 signal(2)：后者在不同 Unix 上语义不一致（是否自动阻塞、是否重启 syscall 各异），glibc 文档明确不推荐。

  • SA_SIGINFO ：handler 原型为 void handler(int, siginfo_t *, void *)，第三参数指向 ucontext_t，可读取被中断时的寄存器（调试/采样用，handler 内改 context 需极谨慎）。
  • SA_RESTART ：被信号打断的慢系统调用 （如 read、accept、recv）在 handler 返回后自动重启，而非返回 -1/EINTR。不设此标志则必须在主循环显式处理 EINTR------网络服务常见「读直到 EAGAIN 或 EINTR 重试」写法即源于此。
  • sa_mask ：handler 执行期间额外阻塞 的信号集，防止嵌套调用同一 handler；内核还会自动阻塞当前正在处理的信号 （除非 SA_NODEFER）。
  • SA_RESETHAND ：handler 执行一次后恢复默认动作（类似旧 signal 行为，少见）。
  • SA_ONSTACK ：在 sigaltstack 提供的备用栈上运行 handler，适合栈溢出保护或深栈 handler（需先 sigaltstack 注册）。

glibc 的 sigaction 包装最终进入 rt_sigaction syscall，内核 do_sigaction() 写入 current->sighand->action[sig-1]（注意内核下标从 0 起）。

3. 可重入与 async-signal-safe

handler 运行在任意用户代码被打断 的上下文，与主线程逻辑并发 ；POSIX 要求 handler 内只能调用 man 7 signal Async-signal-safe 列表中的函数（约四十个：read/write/_exit/sem_post/kill 等）。

为何 malloc/printf 不行 ：glibc 的 malloc 持有 arena 锁；若主线程正 malloc 时被信号打断，handler 再 malloc 会自锁死。printf 同理缓冲锁。这不是「小概率」，是确定性隐患。

正确模式：

  1. 标志位 ：volatile sig_atomic_t got_sig = 0;，handler 置位，主循环轮询（简单但可能延迟）。
  2. 自管道 ：handler 仅 write(pipefd, &byte, 1)；主循环 poll/epoll 读 pipe（libevent/libuv 内置类似机制）。
  3. signalfd ：阻塞信号集 + fd 读 signalfd_siginfo（见 §8）。
  4. 专用信号线程 ：其他线程全阻塞，该线程 sigwaitinfo 循环。

自管道完整骨架：

c 复制代码 
static int pipefd[2];
static volatile sig_atomic_t got_sig;

static void on_sig(int sig)
{
	got_sig = sig;
	char b = 1;
	while (write(pipefd[1], &b, 1) == -1 && errno == EINTR)
		;
}

static int setup_selfpipe(void)
{
	if (pipe(pipefd) < 0) return -1;
	fcntl(pipefd[0], F_SETFL, O_NONBLOCK);
	fcntl(pipefd[1], F_SETFL, O_NONBLOCK);
	/* 注册 on_sig ... */
	return 0;
}

errno 规则 ：handler 可能打断正设置 errno 的 syscall；若 handler 调用了可能改 errno 的函数，返回前应 int saved = errno; ... errno = saved;。

4. 多线程与 pthread_sigmask

Linux 线程是 1:1 （clone(CLONE_THREAD)），每个 task_struct 有独立 blocked、pending；handler 表 sighand 全进程共享。信号递送规则：

  1. 内核选任意一个 未阻塞该信号的线程递送（具体策略与信号类型有关，如 SIGSEGV 往往发给肇事线程）。
  2. pthread_kill(tid, sig) 可指定目标线程（tgkill syscall）。
  3. raise(sig) 等价于向当前线程发信号。

工程惯例：

  • 计算线程 全部 pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &all, NULL)，避免在持锁区被信号打断。
  • 主线程或专用线程 负责 sigwait/signalfd/pipe 统一处理 SIGTERM、SIGUSR*。
  • 不要用信号做线程间频繁通信 ------开销与语义都不如条件变量 + eventfd；信号适合生命周期与异常通知。
c 复制代码 
void *worker(void *arg)
{
	sigset_t set;
	sigfillset(&set);
	pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
	/* 业务：此处收到的 kill 会 pending 到解除阻塞或 signalfd 消费 */
	return NULL;
}

void sig_thread_main(void)
{
	sigset_t waitset;
	sigemptyset(&waitset);
	sigaddset(&waitset, SIGTERM);
	for (;;) {
		int sig;
		if (sigwait(&waitset, &sig) == 0)
			handle_shutdown(sig);
	}
}

注意：sigwait 与 signalfd 要求目标信号在调用线程已被阻塞，否则可能竞态------先 block 再创建 signalfd。

忽略 vs 阻塞 vs 捕获 ：SIG_IGN 递送时直接丢弃；阻塞是暂存 pending 待以后处理；捕获则运行 handler。排障时对照 /proc/pid/status 的 SigIgn/SigBlk/SigCgt，勿把「忽略了」误判为「handler 没跑到」。

5. sigpending、sigsuspend 与 EINTR 排障

  • sigpending(&set) ：返回 pending ∩ 任意时刻可观测 的集合------已被阻塞挂起、尚未运行 handler 的信号也在内。与「是否已注册 handler」无关。
  • sigsuspend(&mask) ：原子替换 blocked 并睡眠，直到有非 blocked 信号到达；返回时通常已运行 handler，blocked 恢复原状（除被 handler 改动的部分）。
  • sigtimedwait：带超时的同步等待，适合线程主循环。

EINTR 三层原因：

  1. 慢 syscall 被信号打断且未设 SA_RESTART。
  2. 某些接口规范上永不 SA_RESTART（如部分 ioctl、sem_wait）。
  3. 应用故意用信号中断阻塞 I/O 以实现可取消操作------此时应检查返回值并重试或退出。

观测与调试：

bash 复制代码 
kill -USR1 <pid>
kill -l
cat /proc/<pid>/status | grep -E 'Sig(Pnd|Blk|Cgt|Ign)|ShdPnd'
# SigPnd=线程 pending, SigBlk=blocked, ShdPnd=共享 pending
strace -f -e trace=kill,tgkill,rt_sigaction,rt_sigprocmask,rt_sigreturn -p <pid>
gdb -p <pid> -ex 'info signals'   # 查看哪些被 blocked/ignored

/proc/pid/status 的 SigCgt（caught）与 SigIgn（ignored）可快速确认 handler 是否生效，排障「注册了 handler 仍默认终止」时常用。

6. 内核发送路径（读码抓手）

kernel/signal.c 中与排障最相关的符号：

  • send_signal() / send_signal_locked() ：把信号挂到目标 task_struct；标准信号设 bit，实时信号分配 struct sigqueue 入链。
  • complete_signal() ：唤醒目标（signal_wake_up），必要时给 TIF_SIGPENDING。
  • get_signal() ：返回用户态前调用，循环 dequeue_signal() 直到 pending 空或需停止。
  • handle_signal() ：决定默认动作或调用 setup_rt_frame() 构建用户态栈帧。
  • do_sigaction() / do_sigprocmask() / do_sigpending()：三套 syscall 入口，分别改 action、blocked、查询 pending。

读 dequeue_signal() 可理解 shared_pending vs 线程 pending 的优先级：同一线程组内，部分信号（如 SIGCHLD）先进共享队列，再按线程掩码递送。

7. SIGCHLD 与僵尸进程

子进程退出时内核向父进程发 SIGCHLD（标准信号，可能合并）。正确收尸模式：

c 复制代码 
static void on_chld(int sig, siginfo_t *info, void *ctx)
{
	(void)sig; (void)info; (void)ctx;
	int saved = errno;
	while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0)
		;
	errno = saved;   /* 恢复 errno：handler 可能打断 syscall */
}

/* 安装时 sa.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_RESTART;
 * sa.sa_flags |= SA_NOCLDSTOP;  若不想在 stop/continue 时也收到 */

若父进程 busy-loop 不 wait，子进程变 僵尸 （Z 状态）；与 handler 是否注册无关------必须 wait/waitpid。

8. signalfd 接入 epoll

适合 nginx/redis 一类事件循环，避免在 handler 写业务：

c 复制代码 
#include <sys/signalfd.h>

sigset_t mask;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGTERM);
sigaddset(&mask, SIGINT);
pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  /* 阻塞后由 signalfd 消费 */

int sfd = signalfd(-1, &mask, SFD_NONBLOCK | SFD_CLOEXEC);
/* epoll_ctl(EPOLL_CTL_ADD, sfd, ...) */
struct signalfd_siginfo fdsi;
read(sfd, &fdsi, sizeof fdsi);   /* 主循环中读，非 handler */

signalfd 读到的 fdsi 含 ssi_signo、ssi_pid、ssi_int 等，等效于多次 sigwaitinfo 但可与其他 fd 同 poll。

9. 典型坑速查

现象 常见根因
handler 里 malloc 崩溃 堆非 async-signal-safe，与主线程 allocator 重入
SIGCHLD 丢失 标准信号不排队；handler 内 waitpid(-1,WNOHANG) 循环直到返回 0
子进程退出僵尸 从未 wait；或 handler 只 wait 一次
多线程只收一次 信号被某一未阻塞线程消费；改掩码或 signalfd 集中处理
read 永远 EINTR 未设 SA_RESTART 且未重试
SA_RESTART 仍 EINTR select/poll/sem_wait 等 POSIX 规定不可自动重启
实时信号泄漏 队列深度受 RLIMIT_SIGPENDING 限制；storm 时 -1/EAGAIN
调试器下行为不同 ptrace 会改变信号递送；SA_RESTART 与 gdb 断点交互需单独测

10. 最小验证实验

实验 A --- 掩码与 pending：

bash 复制代码 
# 终端1：阻塞 SIGUSR1 后查 pending
gcc -o sigtest sigtest.c && ./sigtest
# 终端2：kill -USR1 <pid> 三次
# 预期：sigpending 显示 USR1 pending，handler 不执行直到 UNBLOCK

实验 B --- SA_RESTART：

c 复制代码 
/* 对阻塞 read(STDIN) 分别设/不设 SA_RESTART，终端 kill -USR1 自己 */
/* 不设：read 返回 -1 EINTR；设：read 继续阻塞 */

实验 C --- 实时信号排队：

bash 复制代码 
kill -RTMIN+1 <pid>   # 连发 5 次
# handler 应触发 5 次（在队列上限内）；对比 SIGUSR1 连发可能只 1 次

用 strace -f -e rt_sigreturn,rt_sigaction 可看到 handler 返回时的 sigreturn 路径，确认自定义 handler 确实被内核调度。

与守护进程联动 ：长期运行的服务通常在初始化早期完成全部 sigaction 注册，并在主循环或 signalfd 分支里处理 SIGTERM 触发清理钩子（关闭监听 fd、刷盘、停止 worker）。这与《守护进程与服务完整篇》中的 systemd 监督模型衔接------进程内 graceful shutdown，进程外 KillMode/TimeoutStopSec 兜底。

排障时优先对照 /proc/<pid>/status 的 SigPnd/SigBlk/SigIgn/SigCgt 与 ShdPnd（共享 pending），再结合 strace -e trace=signal 看递送时机；实时信号风暴还要查 ulimit -i（RLIMIT_SIGPENDING）是否打满导致 sigqueue 失败。

Checklist

  • 全部用 sigaction，明确 SA_SIGINFO/SA_RESTART/sa_mask；禁用 signal()；SIGPIPE 等常需显式 SIG_IGN 或 handler
  • handler 仅 async-signal-safe；复杂逻辑经 sig_atomic_t、self-pipe 或 signalfd 转交主循环；handler 内保存/恢复 errno
  • 多线程明确「谁阻塞、谁处理」；工作线程 pthread_sigmask 阻塞异步信号；signalfd/sigwait 前先 block 目标信号
  • 需多次通知或带 siginfo 时用 SIGRTMIN+n；SIGCHLD 在 handler 内 waitpid 循环直到 WNOHANG 返回 0
  • 慢 syscall 要么 SA_RESTART，要么 while 重试；可中断 I/O 则 intentional 处理并写清注释
  • daemon 捕获 SIGTERM/SIGHUP 做优雅退出与 reload；子进程必须 wait 防僵尸
  • strace 确认 rt_sigaction/rt_sigprocmask/rt_sigreturn；/proc/<pid>/status 对照 SigPnd/SigBlk/ShdPnd
  • 与 epoll 集成优先 signalfd；自管道 fd 设 O_NONBLOCK 防 handler 阻塞

合并自：Linux系统编程/chapters/025--030-信号处理（2026-09-07）

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