【Linux】信号的艺术：深入理解 Linux 进程信号

2025-04-28 06:37:17 2 阅读

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文章目录

1.什么是信号
- 1.1 生活角度的信号
- 1.2 技术角度的信号
2. 信号的概念
- 2.1 各个信号的作用
- 2.2 进一步了解信号
3.总结

1.什么是信号

1.1 生活角度的信号

在一个平平无奇的早晨，你点了一份外卖打算作为午餐。下完单后你就等待外卖的到来，为什么你会等外卖呢？因为你知道它会来的。
当外卖员到了你的楼下，你的手机也受到了外卖到来的通知，但是你正在打游戏，需要几分钟之后才能去拿外卖，那么在这几分钟内，你就没有下去拿外卖，但是你知道你的外卖已经到了。也就是拿外卖这一个动作并不是要立即执行的，可以理解为“在合适的时候去取”。
在收到通知，再到你去拿外卖期间，是有一个时间窗口的，再这段时间内，你没有去拿外卖，但是你知道外卖已经到了，本质上是你得到了一个“你有一份外卖要取”的信号。
如果你现在有空，拿到外卖后，就要开始处理外卖了。现在你有3个选择去处理外卖：

执行默认动作，直接开炫。
执行自定义动作，（突然没胃口了，留给弟弟吃）
忽略外卖，（把外卖放一边，继续打游戏）
外卖到来的整个过程，对你来讲都是异步的，你不能确定外卖员什么时候给你打电话。

1.2 技术角度的信号

我们先写一段死循环的程序

#include 
#include 
using namespace std;

int main(){
    while(true){
        cout<<"hello i am a precess!
";
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这是一个死循环程序，当我们运行程序后，默认是一个前台进程。
然后它就会在屏幕上死循环打印“hello i am a precess!”。
如果我们想要把它关闭，就需要给它发生一个信号，可能有人会说，什么发生信号啊，我就是ctrl+c直接终止的。有没有一种可能ctrl+c就是一种信号呢。
当我们在键盘输入ctrl+c，就会产生一个硬件中断，被操作系统捕获，发生给前台进程，前台进程因为收到信号，然后引起进程退出。

如果我们结合上面的例子，那么进程就是你，外卖员就是操作系统，信号就是外卖。
值得注意的是：

ctrl+c产生的信号只能发给前台进程（一个命令后面加&就可以让其在后台运行）
shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程，只有前台进程才能接到像ctrl+c这种控制键产生的信号。
前台进程在运行过程中用户随时可能按下ctrl+c而产生一个信号，也就是说该进程的用户空间代码执行到任何地方都有可能收到SIGINT信号而终止，所以信号相对于进程的控制流程来说是异步的

2. 信号的概念

当在终端输入kill -l时，你就可以看到在Linux下的所有信号了。

一共62个信号，其中1~31号信号为普通信号，用于分时操作系统；剩下的34~64号信号为实时信号，用于实时操作系统。
这个时候肯定久有小伙伴有疑惑了，怎么31号信号后面就是34号了，32号和33号都去哪了。
关于32号和33号
在 Linux 系统中，信号编号从 1 开始到 31 是传统的 标准信号，而从 34 开始的信号是 实时信号。信号编号从 32 到 33 被跳过，这是因为 编号 32 和 33 是为 LinuxThreads（旧版 POSIX 线程库）保留的，用于线程间的内部通信。
信号 32 和 33 被跳过是因为它们被线程库保留用于内部使用，而实时信号从编号 34 开始，以避免混淆和冲突。这种设计是 Linux 内核的一种历史兼容性处理。
回到分时操作系统和实时操作系统
关于分时操作系统和实时操作系统

分时操作系统（标准信号）
适合处理一些不需要严格实时性的任务。具有以下特点：

信号数量有限：标准信号有固定数量
根据时间片实行公平调度，适用于个人电脑。

实时操作系统
适合处理实时性要求高的任务。具有以下特点：

高响应，适合任务较少，需要快速处理的平台，比如汽车车机、火箭发射控制台等等。
注意：普通信号保存它有无产生，实时信号可以保存很长时间。
本篇文章，不会涉及实时信号的讲解

2.1 各个信号的作用

要了解各个型号的作用，我们可以查看man手册。
输入指令：man 7 signal

页面下滑就可以看到各个信号的作用了。
节选一部分：

有没有简单易懂的中文介绍呢？有的，有的
以下表格引用自：Linux中的31个普通信号

信号编号	信号名	信号含义
1	SIGHUP	如果终端接口检测到一个连接断开，则会将此信号发送给与该终端相关的控制进程，该信号的默认处理动作是终止进程。
2	SIGINT	当用户按组合键（一般采用Ctrl+C）时，终端驱动程序产生此信号并发送至前台进程组中的每一个进程，该信号的默认处理动作是终止进程。
3	SIGQUIT	当用户按组合键（一般采用Ctrl+）时，终端驱动程序产生此信号并发送至前台进程组中的每一个进程，该信号不仅终止前台进程组，同时会产生一个core文件。
4	SIGILL	此信号表示进程已执行一条非法指令，该信号的默认处理动作是终止进程，同时产生一个core文件。
5	SIGTRAP	该信号由断点指令或其他trap指令产生，该信号的默认处理动作是终止进程，同时会产生一个core文件。
6	SIGABRT	调用abort函数是产生此信号，进程异常终止，同时会产生一个core文件。
7	SIGBUS	当出现某些类型的内存故障时，常常产生该信号，，该信号的默认处理动作是终止进程，同时产生一个core文件。
8	SIGFPE	此信号表示一个算术运算异常，比如除0、浮点溢出等，该信号的默认处理动作是终止进程，同时产生一个core文件。
9	SIGKILL	该信号不能被捕捉或忽略，它向系统管理员提供了一种可以杀死任一进程的可靠方法。
10	SIGUSR1	这是一个用户定义的信号，即程序员可以在程序中定义并使用该信号，该信号的默认处理动作是终止进程。
11	SIGSEGV	指示进程进行了一次无效的内存访问（比如访问了一个未初始化的指针），该信号的默认处理动作是终止进程并产生一个core文件。
12	SIGUSR2	这是另一个用户定义的信号，与SIGUSR1相似，该信号的默认处理动作是终止进程。
13	SIGPIPE	如果在管道的读进程已终止时对管道进行写入操作，则会收到此信号，该信号的默认处理动作是终止进程。
14	SIGALRM	当用alarm函数设置的定时器超时时产生此信号，或由setitimer函数设置的间隔时间已经超时时也产生会此信号。
15	SIGTERM	该信号是由应用程序捕获的，使用该信号让程序有机会在退出之前做好清理工作。与SIGKILL信号不同的是，该信号可以被捕捉或忽略，通常用来表示程序正常退出。
16	SIGSTKFLT	该信号指示协处理器上的堆栈故障（未使用），该信号的默认处理动作是终止进程。
17	SIGCHLD	在一个进程终止或停止时，SIGCHLD信号被发送给其父进程。按系统默认，将忽略此信号。如果父进程希望被告知其子进程的这种状态改变，则应捕捉此信号。信号捕捉函数中通常要调用一种wait函数以取得子进程ID及其终止状态。
18	SIGCONT	可以通过发送该信号让一个停止的进程继续运行。
19	SIGSTOP	这时一个作业控制信号，该信号用于停止一个进程，类似于交互停止信号（SIGTSTP），但是该信号不能被捕捉或忽略。
20	SIGTSTP	交互停止信号，当用户按组合键（一般采用Ctrl+Z）时，终端驱动程序产生此信号并发送至前台进程组中的每一个进程。
21	SIGTTIN	后台进程读终端控制台时，由终端驱动程序产生此信号并发送给该后台进程，该信号的默认处理动作是暂停进程。
22	SIGTTOU	后台进程向终端控制台输出数据，由终端驱动程序产生此信号并发送给该后台进程，该信号的默认处理动作是暂停进程。
23	SIGURG	套接字上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出此信号，报告有紧急数据到达，该信号的默认处理动作是忽略。
24	SIGXCPU	进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间，系统产生该信号并发送给该进程，该信号的默认处理动作是终止进程，同时会产生一个core文件。
25	SIGXFSZ	如果进程写文件时超过了文件的最大长度设置，则会收到该信号，该信号的默认处理动作是终止进程，同时会产生一个core文件。
26	SIGVTALRM	虚拟时钟超时时产生该信号，与SIGALRM信号类似，但是该信号只计算该进程占用CPU的使用时间，该信号的默认处理动作是终止进程。
27	SIGPROF	该信号类似与SIGVTALRM，它不仅包括该进程占用CPU的时间还包括执行系统调用的时间，该信号的默认处理动作是终止进程。
28	SIGWINCH	当窗口大小发生变化时，内核会将该信号发送至前台进程组，该信号的默认处理动作是忽略。
29	SIGIO	此信号指示一个异步I/O事件，该信号的默认处理动作是终止进程。
30	SIGPWR	电源故障，该信号的默认处理动作是终止进程。
31	SIGSYS	该信号指示一个无效的系统调用，该信号的默认处理动作是终止进程，同时会产生一个core文件。

2.2 进一步了解信号

观察上面的信号作用，可以发现大多数信号的默认动作都是终止进程，对于进程来讲，动作无非就是哪几种：终止进程，暂停进程，恢复进程，那为什么要搞出这么多的信号呢？

创建信号的目的不只是为了控制进程，还要便于管理进程，进程的终止原因有很多种，如果一概而就话，对于问题的分析就很不友好，所以才会将信号进行细分，目的是方便定位、分析、解决问题。

你知道为什么普通信号是31个吗？
这是因为这31个信号可以全部存储到int中，非常的方便。
为什么上面都说讲上面，默认的动作呢？
这是因为进程的执行动作是能够修改的，默认维系统预设的默认动作。
当我们处理一个信号时，一个有这3种处理方式：

忽略该信号。
执行该信号的默认处理动作。
（自定义处理方式）提供一个信号的处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕获（Catch）一个信号。
关于自定义处理方式，后面的内容会讲的。
现在让我们来看看，操作系统是怎么管理信号的。众所周知，操作系统为了管理一样东西都会采用先描述再组织的方法。
所以我们可以再操作系统中找到关于信号的数据结构。
以下源码及总结来自：北海
以下为部分源码：

struct signal_struct {
	atomic_t		sigcnt;
	atomic_t		live;
	int			nr_threads;

	wait_queue_head_t	wait_chldexit;	/* for wait4() */

	/* current thread group signal load-balancing target: */
	struct task_struct	*curr_target;

	/* shared signal handling: */
	struct sigpending	shared_pending;

	/* thread group exit support */
	int			group_exit_code;
	/* overloaded:
	 * - notify group_exit_task when ->count is equal to notify_count
	 * - everyone except group_exit_task is stopped during signal delivery
	 *   of fatal signals, group_exit_task processes the signal.
	 */
	int			notify_count;
	struct task_struct	*group_exit_task;

	/* thread group stop support, overloads group_exit_code too */
	int			group_stop_count;
	unsigned int		flags; /* see SIGNAL_* flags below */

	/*
	 * PR_SET_CHILD_SUBREAPER marks a process, like a service
	 * manager, to re-parent orphan (double-forking) child processes
	 * to this process instead of 'init'. The service manager is
	 * able to receive SIGCHLD signals and is able to investigate
	 * the process until it calls wait(). All children of this
	 * process will inherit a flag if they should look for a
	 * child_subreaper process at exit.
	 */
	unsigned int		is_child_subreaper:1;
	unsigned int		has_child_subreaper:1;

	//……
};

3.总结

信号是执行的动作的信息载体，程序员再设计进程的时候，早就设计了其对信号的识别能力。
信号对于进程来说是异步的，随时可能产生，如果信号产生时，进程在处理优先级更高的事情，那么信号就不能被立即处理，此时进程需要保存信号，后续再处理。
进程可以将多个信号或者还未处理的信号存储再signal_struct这个数据结构中，具体信号编号存储再uint32_t signals这个位图结构中。
所谓的"发送"信号，其实就是写入信号，修改进程中对应的比特位，由0变1就是该信号产生了。
signal_struct属于内核数据结构，只能由操作系统进行同一修改，无论信号是如何产生的，最终都需要借助操作系统进行发送。
信号并不是立即处理的，它会再合适的时间进行统一处理。
所以进程信息可以分为3步: