Linux信号机制

信号（Signal）是 Linux 系统中最古老、最基础的进程间通信机制之一，也是理解 Unix/Linux 系统编程的核心概念。作为一种异步通知机制，信号允许内核或一个进程向另一个进程发送简短的通知，告知其某个特定事件的发生——无论是用户按下 Ctrl+C 中断程序，还是子进程终止通知父进程，亦或是定时器到期提醒应用程序。

掌握信号机制对于深入理解 Linux 系统至关重要：它不仅是进程管理和控制的基础，更是编写健壮、可靠的系统级程序的必备知识。本文将带你从零开始，系统地探索 Linux 信号的方方面面。

信号触发

首先，信号分为两类

• standard signal，较早实现的传统信号，范围是1~31，通常有默认的处理机制，如关闭程序、忽略信号。
• real-time signal，实时信号是后来扩展的信号类型，范围与系统实现有关，宏定义是SIGRTMIN到SIGRTMAX，默认处理机制是关闭程序。

触发信号的方式有很多种，我们列举如下几种常用的方式

进程给自己发送信号

我们使用raise发送了SIGKILL信号给当前进程，程序会直接退出，所以只打印了before SIGKILL

给其他进程发送信号

使用kill指定PID发送信号，还可以发送给所有有权限发信号的进程，也可以发送给进程组，后两种情况请参考手册

给线程发送信号

线程的信号处理方式与进程的信号处理方式类似，使用pthread_kill发送信号给当前进程中的线程，使得子线程被关闭，代码的主要流程为

1. 主线程注册了信号处理函数，被子线程继承
2. 子线程使用pause阻塞等待信号到达
3. 主线程发送信号给子线程，然后使用pthread_join等待子线程结束

信号携带数据

代码说明：

1. 使用 sigaction() 注册信号处理函数，设置 SA_SIGINFO 标志以启用扩展信息
2. 信号处理函数签名为 void handler(int sig, siginfo_t *info, void *context)，其中 info->si_value 包含发送的数据
3. 主进程通过 sigqueue() 发送两次信号SIGRTMIN给子进程，注意，只有实时信号可以携带数据
4. 子进程接收到信号后，从 siginfo_t 结构中提取数据并打印，第一次打印数字，第二次打印传递的指针数据

信号阻塞和队列

同种信号多次发送时，我们看一看两类信号的表现

可以看到，两类信号都会按顺序被处理
为了屏蔽或延迟信号的处理，我们可以使用sigprocmask或pthread_sigmask来阻塞信号

代码说明：

1. sigset_t是存储阻塞信号集合的结构，可以理解为一个bitmap，每位代表一种信号，通过sigemptyset、sigaddset等方法来操作
2. sigprocmask可以设置当前进程的阻塞信号集合，SIG_BLOCK表示在原有阻塞信号中加入新的信号，SIG_UNBLOCK表示解除阻塞，SIG_SETMASK表示设置新的阻塞信号集合
3. 可以看到，SIGUSR1在解除阻塞后才开始执行

如果多个同种信号在阻塞过程中被发送，那么信号会被怎样处理呢？

标准信号在阻塞期间多次接收，只会保留最后一个信号，所以只处理了一次
而实时信号会按照顺序处理，所以会打印3次
如果两种信号同时解除阻塞，谁会优先执行呢？根据man手册，我们得到如下解释

1. 如果两类信号同时发送，Linux系统中一般优先处理标准信号
2. 如果多种标准信号同时发送，处理顺序标准中没有指定
3. 如果多种实时信号同时发送，处理顺序是按照数字小的优先级高

在多线程中，子线程会继承父线程的sigmask，发送给进程的信号会选择任意一个没有阻塞信号的线程。
通常，我们使用如下方式在多线程中处理信号

代码说明：

1. 主线程设置信号掩码：在创建子线程前，使用 pthread_sigmask() 阻塞 SIGUSR1 和 SIGUSR2，这样子线程会继承这个阻塞状态
2. pthread_barrier：用来同步主子线程，确保子线程启动后才发送信号，避免信号丢失
3. 专用信号处理线程：signal_handler_thread 函数使用 sigwait() 同步等待信号，这是一种线程安全的信号处理方式
4. 信号发送：主线程使用 kill() 向整个进程发送信号，由于只有信号处理线程未阻塞这些信号，所以由它来接收和处理
5. sigwait() 的优势：相比异步信号处理函数，sigwait() 是同步的，可以在普通代码中安全调用，避免了信号处理函数的诸多限制（如不能调用非异步信号安全的函数）

信号处理

下面介绍信号处理的过程

1. 系统从内核态进入到用户态前（一般是系统调用结束后，或CPU时间片调度到某个进程），检查未处理的信号，如果有，按照上文中的优先级进行处理
2. 未设置处理函数，则按照默认方式处理，实时信号默认会让进程退出
3. 如果设置了处理函数，则进行如下步骤，注意SIGKILL和SIGSTOP设置处理函数无效
   1. 系统首先在用户空间栈中新建栈帧，保存运行前的状态，比如寄存器、sigmask等
   2. 系统设置后续执行进入信号处理函数的入口，处理函数返回后调用sigreturn，这个函数负责恢复运行状态，然后跳转回代码原来的执行位置
4. 系统回到用户态，执行完处理函数后，执行sigreturn返回内核态，执行完后回到用户态，继续执行用户态代码

sequenceDiagram
    participant User as 用户程序
    participant Kernel as 内核
    
    Note over User,Kernel: 正常运行阶段
    User->>User: 执行用户代码
    
    Note over User,Kernel: 进入内核态(系统调用/时间片调度)
    User->>Kernel: 陷入内核态
    
    Kernel->>Kernel: 检查未处理信号
    
    alt 无未处理信号
        Kernel-->>User: 返回用户态
        User->>User: 继续执行
    else 有未处理信号且未设置处理函数
        Kernel->>Kernel: 按默认方式处理
        Kernel-->>User: 进程退出、进程暂停，或忽略信号
    else 有未处理信号且已设置处理函数
        Kernel->>Kernel: 在用户栈创建栈帧<br/>保存寄存器、sigmask等
        Kernel->>Kernel: 设置返回入口为sigreturn
        
        Note over User,Kernel: 切换到用户态执行处理函数
        Kernel-->>User: 跳转到信号处理函数
        
        User->>User: 执行信号处理函数
        User->>Kernel: 调用sigreturn(进入内核态)
        
        Kernel->>Kernel: 恢复运行状态<br/>(寄存器、sigmask等)
        
        Note over User,Kernel: 返回原执行位置
        Kernel-->>User: 切换回用户态
        User->>User: 从断点继续执行
    end

关于信号还有许多内容可以讨论，比如信号安全(信号处理函数怎样才能安全处理信号)、系统调用中信号的使用等，后续也许会新开篇目来介绍。