30天速通Linux 第六章信号及信号处理

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一. 信号的基本概念

信号是 Linux 进程之间的一种通信机制，本质是软中断 。read/write 等系统调用都可能被信号中断。

• 每个信号用 SIGxxx 整型宏表示，定义在 <signal.h>；kill -l 看列表，man 7 signal 看说明。
• 使用信号的目的：① 让进程知道发生了某事件；② 执行自己代码中的信号处理程序。

信号的 3 个来源 ：用户按键（Ctrl+C、Ctrl+\）／进程执行出错（除 0、非法访问）／其他进程用 kill、sigqueue 发送。

信号的 3 种状态：

状态	含义
递送 delivery	进程对信号采取动作（执行处理函数或忽略）
未决 pending	产生到递送之间
阻塞 block	进程指定阻塞该信号，保持未决直到解除阻塞

若处理方式是"忽略"，信号永远不会递送/未决，直接丢弃。

二. 信号的分类

分类	可靠信号	不可靠信号
取值	SIGRTMIN ~ SIGRTMAX	小于 SIGRTMIN
行为	来不及处理时排队，不丢失	来不及处理则丢弃，只留一个

• Linux 共 64 种信号：前 32 种非实时（不支持排队 = 不可靠），后 32 种实时（支持排队 = 可靠）。
• 按来源还分：同步信号 （进程自身操作产生，如被零除）／异步信号（进程外事件，如击键）。

常用信号（man 7 signal 完整列表）

信号	说明	默认处理
SIGINT	Ctrl+C	终止
SIGQUIT	Ctrl+\	终止 + core
SIGKILL	不可捕捉、不可忽略	终止
SIGSTOP	不可捕捉、不可忽略	暂停
SIGSEGV	内存非法访问	终止 + core
SIGPIPE	往已关闭的管道/socket 写	终止
SIGCHLD	子进程停止或终止	忽略
SIGALRM	alarm/setitimer 定时到期	终止
SIGUSR1/2	用户自定义	终止
SIGTSTP	Ctrl+Z 挂起	暂停
SIGCONT	让暂停的进程继续	继续/忽略

三. 信号的处理

3.1 三种处理方式

方式	说明
默认处理	多数导致进程终止
忽略	signal(SIGINT, SIG_IGN)；SIGKILL/SIGSTOP 不能被忽略
捕捉处理	注册处理函数（最常用）；SIGKILL/SIGSTOP 不能被捕捉

3.2 signal（老机制，有缺陷）

#include <signal.h>
result = signal(int signum, void (*action)(int));

• action：SIG_DFL（默认）／SIG_IGN（忽略）／函数名。
• 成功返回之前的处理函数指针，失败返回 -1。

void sigHandler(int signum)
{
    printf("The sign no is:%d\n", signum);
    signal(SIGINT, sigHandler);   // ⚠ 必须重新注册，否则恢复默认
}

int main()
{
    signal(SIGINT, sigHandler);
    signal(SIGQUIT, SIG_IGN);     // 忽略 ^\
    while (1) sleep(1);
}

⚠ signal 的三个问题：① 处理函数执行中又来同类 信号（多余丢失）；② 又来异类 信号（中断当前处理）；③ 阻塞系统调用（如 read）被信号打断后如何继续。→ 用 sigaction 替代。

3.3 sigaction（推荐）

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);                        // 老式处理函数
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 带附加信息（可获知信号产生原因）
    sigset_t   sa_mask;      // 处理期间额外阻塞的信号集
    int        sa_flags;     // 行为选项
};

sa_flags	作用
SA_RESTART	被信号打断的阻塞系统调用（read/write/ioctl）自动重启 ；不设则返回 -1，errno=EINTR
SA_SIGINFO	用 sa_sigaction（3 参数）而不是 sa_handler
SA_NODEFER	处理时不阻塞新信号（此时 sa_mask 失效）
SA_RESETHAND	处理完自动撤消注册（即 signal 的老行为）

信号集操作函数

int sigemptyset(sigset_t *set);                   // 清空
int sigfillset(sigset_t *set);                    // 填满所有信号
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);         // 添加
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);         // 移除
int sigismember(const sigset_t *set, int signum); // 是否包含

sigprocmask：全程阻塞（与 sa_mask 的区别是它对所有场合生效）

int sigprocmask(int how, const sigset_t *newset, sigset_t *oldset);

how	含义
SIG_BLOCK	把 newset 加入原阻塞集
SIG_UNBLOCK	从原阻塞集移除 newset
SIG_SETMASK	把阻塞集设为 newset

示例：可靠信号排队、不可靠信号丢失

sem_t 信号集设 SIGINT(不可靠) + SIGRTMIN(可靠) → sigprocmask(SIG_BLOCK) 屏蔽
→ sigaction 注册（SA_SIGINFO）→ sleep(60) 期间用 kill -SIGRTMIN <pid> 发多次
→ sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask) 解除阻塞
结果：6 个实时信号全部被处理，普通 SIGINT 只处理 1 次

四. 信号发送函数

前提：发送进程的用户 ID 与接收进程相同，或发送者是超级用户。

函数	原型	作用
kill	int kill(pid_t pid, int sig);	向指定进程发信号
raise	int raise(int sig);	向自身发信号，等价 kill(getpid(), sig)
sigqueue	int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);	发信号并可附带数据

union sigval { int sival_int; void *sival_ptr; };

sigqueue 的 value 只有在注册时 sa_flags 含 SA_SIGINFO 才会传给处理函数。

五. 可重入函数

• 可重入 ：函数可被多个任务并发调用而不产生数据错误。信号处理函数中必须只用可重入函数。
• 可重入函数中：不用静态变量、不用 malloc/free、不用标准 I/O 库，用全局变量要小心。
• 常见可重入函数：read write open close fork exit kill raise signal sigaction wait waitpid sleep lseek stat dup pipe socket send recv 等（完整列表见 man 7 signal 的 Async-signal-safe functions）。

六. 父子进程的信号处理

• 子进程继承 父进程的信号处理方式，直到调用 exec。
• 子进程 exec 后，父进程中设为"捕捉"的信号恢复为默认处理，其余不变。

act.sa_sigaction = intsig_handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGINT, &act, NULL);
printf("The parent pid = %d\n", getpid());
pid = fork();
// if (pid == 0) execvp("ls", arg);   // 打开后子进程 SIGINT 变回默认（终止）
while (1);

七. 信号处理的应用

7.1 被中断的系统调用

• 慢速设备（终端、文件、网络、磁盘）的系统调用会被信号中断；用 sigaction 且设 SA_RESTART 时自动重启 ，否则返回 -1 + EINTR。

7.2 用 SIGCHLD 防止僵尸进程

子进程退出会向父进程发 SIGCHLD（默认被忽略），在处理函数里 wait/waitpid 即可回收。

void sigchld_handler(int sig)
{
    int status;
    waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    if (WIFEXITED(status))       printf("child process exit normally\n");
    else if (WIFSTOPPED(status)) printf("child process is stopped\n");
}

int main()
{
    pid_t pid;
    signal(SIGCHLD, sigchld_handler);
    pid = fork();
    if (pid == 0)       abort();                              // 子进程异常退出
    else if (pid > 0) { sleep(2); printf("parent process\n"); }
    else                exit(0);
}

八. 系统定时信号

8.1 睡眠函数

unsigned int sleep(unsigned int seconds);   // 秒
void usleep(unsigned long usec);            // 微秒

unsigned int alarm(unsigned int seconds);   // seconds 秒后产生 SIGALRM
int pause(void);                            // 挂起，直到收到一个信号才返回

用 alarm + pause 实现 sleep

void alarm_handler(int a) { printf("sleep is over"); }

int mysleep(int seconds)
{
    signal(SIGALRM, alarm_handler);
    alarm(seconds);
    pause();
}

⚠ sleep 内部就是用 alarm 实现的，不要和 alarm 混用。

8.2 三个计时器

计时器	计算内容	信号
ITIMER_REAL 真实	程序运行的实际时间	SIGALRM
ITIMER_VIRTUAL 虚拟	用户态消耗的时间	SIGVTALRM
ITIMER_PROF 实用	用户态 + 内核态	SIGPROF

例：用户态 10s + 内核态 8s + 睡眠 7s → 真实 25s、虚拟 10s、实用 18s。

int getitimer(int which, struct itimerval *value);
int setitimer(int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue);

struct itimerval {
    struct timeval it_interval;   // 重复间隔
    struct timeval it_value;      // 初始倒计时
};
struct timeval { long tv_sec; long tv_usec; };   // 秒 / 微秒

signal(SIGALRM, alarmsign_handler);
struct itimerval tval;
timeChange(1,    &tval.it_value);      // 初始 1 毫秒
timeChange(1000, &tval.it_interval);   // 每 1000 毫秒触发一次
setitimer(ITIMER_REAL, &tval, NULL);
while (getchar() != '#');              // 输入 # 退出