Linux 进程信号原理与剖析

一、什么是信号？

信号是操作系统提供的一种异步事件通知机制 。 当进程收到信号，相当于收到一条 "短消息"，通知进程发生了某个事件：除零错误、段错误、用户按下Ctrl+C、定时器超时、子进程退出等。

核心特点：异步。信号随时可能抵达，进程代码执行到任意位置都可能被打断，不是函数调用那种同步逻辑。

举几个常见信号：

|-----------|----|---------------|--------------|
| 信号 | 编号 | 含义 | 默认动作 |
| SIGINT | 2 | Ctrl+C 终端中断 | 终止进程 |
| SIGSEGV | 11 | 段错误，访问非法内存 | 终止 + core 转储 |
| SIGFPE | 8 | 浮点异常，除零错误 | 终止 + core 转储 |
| SIGALRM | 14 | alarm 定时器到期 | 终止进程 |
| SIGCHLD | 17 | 子进程退出 | 忽略 |

注意：SIGKILL(9)、SIGSTOP(19) 不能被捕获、不能屏蔽、不能忽略，是操作系统强制杀死 / 暂停进程的最后手段。

二、信号完整生命周期：产生 → 保存 (pending) → 处理

1. 信号产生：内核给目标进程发送信号

2. 信号保存（未决 pending） ：信号不会立刻执行，先记录在进程的task_struct中，标记 "有待处理"

3. 信号检测与处理 ：进程从内核态返回用户态前夕，内核检查 pending 信号，执行对应处理动作

重点：信号不是一产生就立刻处理 。进程只有在内核态切回用户态这个时机，才会检测信号。这是面试必问。

信号产生的 5 种方式

1. 终端按键 ：Ctrl+C 发送SIGINT；Ctrl+\发送SIGQUIT

2. 硬件异常 ：CPU 检测到除零、非法内存访问，内核主动向当前进程发信号（SIGFPE/SIGSEGV）

3. 系统调用发送信号 ：kill()、raise()、abort()

   1. kill(pid, sig)：向指定 pid 进程发送信号

   2. raise(sig)：给自己发信号

   3. abort()：给自己发送SIGABRT，终止程序

4. 定时器 ：alarm(sec)，倒计时结束内核发送SIGALRM

5. 子进程退出 ：子进程死亡，父进程收到SIGCHLD

三、内核如何保存信号：task_struct 里三张表

每个进程内核对象task_struct维护 3 套位图，这是信号机制的底层数据结构：

1. pending（未决信号位图） 比特位标记：对应编号的信号是否已经产生，等待处理。 信号来了，内核把 pending 对应 bit 置 1；信号处理完成，bit 清零。

   注意：普通信号不支持排队，同一个信号多次产生，如果还没处理，pending 只会保留 1 次。实时信号可以排队。

2. block（阻塞 / 屏蔽位图，信号掩码） bit=1：代表屏蔽该信号 。 信号来了，pending 依然置位，但是暂时不处理；等解除屏蔽后，再去处理。

   阻塞 ≠ 忽略：忽略是处理动作设为SIG_IGN；阻塞是信号保留在 pending，暂缓处理。

3. handler（信号处理函数表） 数组，下标对应信号编号，存储信号的处理方式：

   1. SIG_DFL：默认动作（终止 / 忽略 /core）

   2. SIG_IGN：忽略这个信号

   3. 用户自定义函数地址：捕获信号，执行用户写的 handler 回调

信号集操作 API sigset_t

sigset_t就是位图类型，用来操作 block 掩码：

sigemptyset(&set);   // 清空信号集
sigfillset(&set);    // 填满所有信号
sigaddset(&set, sig);// 添加信号
sigdelset(&set, sig);// 删除信号
sigismember(&set,sig);// 判断信号是否在集合中

sigprocmask()：修改当前进程的 block 屏蔽字

• SIG_BLOCK：新增屏蔽信号

• SIG_UNBLOCK：解除屏蔽

• SIG_SETMASK：直接替换屏蔽集合

sigpending()：获取当前进程 pending 的未决信号集。

四、信号捕捉完整执行流程

当进程发生系统调用 / 中断，进入内核态；内核处理完中断 / 系统调用，准备返回用户态的一瞬间，内核检查 pending 信号：

1. 扫描 pending 位图，找到存在、且没有被 block 屏蔽的信号

2. 如果是默认动作：内核直接在内核态完成（终止进程、core dump）

3. 如果是用户自定义捕获函数：

   1. 内核在用户态栈上，构造信号栈帧，保存原来程序上下文

   2. 切换回用户态，执行用户注册的 handler 回调函数

   3. handler 执行完毕，触发特殊系统调用sigreturn()，再次进入内核

   4. 内核恢复原来的程序上下文，回到主程序继续运行

关键点：handler 回调函数是在用户态执行，不是内核态！ 为什么不能在内核态跑用户函数？安全隔离，内核态权限过高，防止用户代码破坏内核。

整个过程会发生4 次用户态 ↔ 内核态切换： 用户态 → 内核态（中断 / 系统调用）→ 检测信号 → 用户态（跑 handler）→ 内核态 (sigreturn) → 用户态（回到主代码）

signal 和 sigaction 的区别

1. signal()：简易版本，底层封装sigaction，不支持信号掩码精细控制，旧版本不可重入，简单场景使用。

   typedef void (*sighandler_t)(int);
   sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

2. sigaction()：推荐，功能更强，面试优先答这个

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

• sa_handler：信号处理函数（和 signal 一样）

• sa_mask：捕获该信号时，额外临时屏蔽的信号集。执行 handler 期间，自动屏蔽 sa_mask 里的信号，handler 结束自动恢复。

• sa_flags：控制行为，如SA_RESTART：信号处理完后，自动重启被中断的系统调用。

面试考点：sa_mask是信号处理函数执行期间的临时屏蔽，不是进程全局 mask。

五、Core Dump 核心转储

当收到某些信号（SIGSEGV、SIGFPE），默认动作是终止并生成 core 文件。 core 文件是进程崩溃那一刻的内存镜像，可以用 gdb 加载，定位崩溃位置。

默认很多环境 core 文件关闭，查看 / 修改：

ulimit -c          # 查看core文件大小限制
ulimit -c unlimited # 打开core转储

注意：core 文件生成受权限、目录空间、ulimit 参数共同影响。

六、SIGCHLD 回收子进程（实战考点）

子进程退出，会向父进程发送SIGCHLD，默认动作是忽略。 我们可以捕获SIGCHLD，在 handler 内部调用waitpid()，异步回收僵尸子进程，避免父进程阻塞等待。

void handler(int sig)
{
    waitpid(-1, NULL, WNOHANG); // 非阻塞回收所有已退出子进程
}
signal(SIGCHLD, handler);

坑点：普通信号不排队，多个子进程同时退出，可能只会触发一次 SIGCHLD，handler 里必须循环 waitpid，一次性收割全部僵尸进程。

七、面试高频问题汇总

1. 信号什么时候被检测？ 进程从内核态返回用户态的时候。

2. 阻塞信号和忽略信号区别？ 阻塞：信号保留 pending，暂缓处理；忽略：信号交付后直接丢弃，不做任何动作。

3. 为什么 handler 要跑在用户态？ 内核态权限极高，用户自定义函数不能在内核执行，存在安全风险。

4. SIGKILL 为什么不能捕获屏蔽？ 操作系统保留的强制终止手段，防止进程自己屏蔽所有信号导致无法杀死。

5. 普通信号为什么丢失？ pending 是位图，同个信号多次到来，bit 只会置 1，无法计数，多次信号会合并丢失。实时信号用队列，不会丢。

八、完整 demo：捕获 SIGINT

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

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

int main()
{
    signal(SIGINT, handler);
    while(true)
    {
        cout << "running..." << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

运行后按Ctrl+C，不会直接退出，执行我们自定义 handler。