【转译】Linux中的信号(signal)

本文是一篇科普文章，介绍什么是 Linux 信号，以及它的基本用法。原文链接见底部参考。

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Linux中有许多处于不同状态的进程。这些进程属于用户应用程序或操作系统。我们需要一种机制让内核和这些进程协调它们的活动。其中一种方式是在一个进程有重大改变时通知其他进程，因此我们有了 信号 的概念。

信号基本上是一种单向通知。信号可以由内核发送给一个进程，或由一个进程发送给另一个进程，或者一个进程发送给它自己。

Linux信号的概念来源于Unix。在后来的Linux版本中，加入了实时（real-time）信号。信号是一种简单和轻量级的进程间通信形式，因此适用于嵌入式系统。

有关信号的讨论

什么是信号？

总共有 31 个标准信号，编号为 1-31。每个信号命名为“SIG”开头，后跟一个后缀（如INT、HUP、KILL等）。从 2.2 版开始，Linux 内核支持 33 种不同的实时信号，编号为 32-64，但应用程序应改为使用 SIGRTMIN + n 表示法。标准信号有特定用途，但 SIGUSR1 和 SIGUSR2 的使用可以由程序自定义。实时信号也可由程序定义。

0号信号，即 POSIX.1 标准中所说的null信号，一般不使用，但在 kill 函数中有个特殊的用途。使用时没有信号被发送，但可以用来（相当不可靠）检查进程是否仍然存在。

Linux中的信号实现完全符合 POSIX 标准。最新的实现应该倾向于使用 sigaction 而不是传统的信号接口。

正如硬件子系统可以中断处理器一样，信号可以中断进程的执行。因此，它们被看作是软件中断。一般来说，中断处理程序(interrupt handlers)处理硬件中断，而信号处理程序(signal handlers)则处理信号导致的中断。

通常信号被映射到特定的按键输入，比如，SIGINT代表ctrl+c，SIGSTOP代表ctrl+z，SIGQUIT代表ctrl+\。

信号如何影响进程的状态？

一些信号会终止正在接受信号的进程：SIGHUP、SIGINT、SIGTERM、SIGKILL。有一些信号不仅可以终止进程还会输出一些内核信息，以帮助程序员调试出错的地方，如SIGABRT（abort）、SIGBUS（bus error）、SIGILL（illegal instruction）、SIGSEGV（invalid memory reference无效内存引用）、SIGSYS（bad system call错误的系统调用） ）。用于停止进程的信号有：SIGSTOP、SIGTSTP。 SIGCONT 是恢复已停止的进程。

一个程序可以覆盖信号的默认行为。例如，一个交互式程序可以忽略SIGINT（由ctrl+c输入产生）。不过有两个例外需要注意，SIGKILL和SIGSTOP，它们不能被忽略、阻止或用这种方式覆盖。

让我们看一个父进程和其子进程的例子。假设子进程向自己发送了SIGSTOP，子进程将被停止。这反过来又会触发SIGCHLD到父进程。然后，父进程可以使用SIGCONT向子进程发出继续运行的信号。当子进程从停止状态重新运行时，另一个SIGCHLD被发送到父进程。如果后来，子进程退出了，最后的SIGCHLD会被发送到父进程。

信号类似于异常(exception)吗？

一些编程语言能够使用诸如try-throw-catch这样的结构进行异常处理。
但信号与异常并不类似。相反，失败的系统或库调用会返回非零的退出代码。当一个进程被终止时，它的退出代码是128加信号编号。例如，一个被SIGKILL杀死的进程将返回137（128+9）。

信号是同步还是异步的？

信号既可以是同步，也可以是异步。

同步信号的出现是由于指令导致了一个无法恢复的错误，如非法地址访问。这些信号被发送到导致它的线程。这些信号也被称为陷阱(trap)，因为它们也会导致陷阱进入内核的陷阱处理程序(trap handler)。

异步信号是对当前执行环境的外部信号。从另一个进程中发送 SIGKILL 就是这样一个例子。这些也被称为软件中断。

信号的生命周期是什么？

一个信号经历三个阶段：

1. Generation：信号可以由内核或任何进程生成，生成后会将其发送给特定的进程。信号由其编号表示，没有额外的数据或参数。因此，信号是轻量级的。但是，POSIX 实时信号传递额外的数据。可以生成信号的系统调用和函数包括 raise、kill、killpg、pthread_kill、tgkill 和 sigqueue。

2. Delivery：信号在传递之前一直处于待处理状态。通常，内核会尽快将信号传递给进程。但是，如果对应的进程阻塞了信号，它将保持未处理状态直到解除阻塞。

3. Processing：一旦信号被传递到，就会以多种方式中其中一种进行处理。每个信号都有一个默认的行为：忽略信号；或终止进程，有时使用核心转储(core dump)；或停止/继续该过程。对于非默认行为，对应的处理函数会被调用。通过 sigaction 函数指定究竟采用哪一种处理方式。

什么是信号阻塞和解除阻塞？

信号打断了程序执行的正常流程。当进程正在执行一些关键代码或更新与信号处理程序共享的数据时，这是不希望看到的。阻断的引入解决了这个问题。不过代价是，信号处理被延迟了。

每个进程都可以指定它是否要阻塞一个特定的信号。如果被阻断，而信号确实发生了，操作系统将把该信号作为待处理信号。一旦进程解除阻断，该信号将被传递。当前被屏蔽的信号集合被称为信号屏蔽(signal mask)。

无限期地阻断一个信号是没有意义的。为了这个目的，进程可以在接受到信号后选择忽略它，被一个进程屏蔽的信号不会影响其他进程，他们可以正常接收信号。

信号屏蔽(Signal mask)可以用 sigprocmask（单线程）或 pthread_sigmask（多线程）来设置。 当一个进程有多个线程时，信号可以针对每个线程分别设置是否屏蔽。信号将被传递给任何一个没有阻断它的线程。从本质上讲，信号处理程序是针对某个进程的，信号掩码是针对某个线程的。

一个进程可以有多个待处理的信号吗？

是的，许多标准信号可以在进程中被挂起。然而，一个给定的信号类型只能有一个实例被挂起。这是因为信号的挂起和阻塞是作为位掩码(bitmask)实现的，每个信号类型只有一个位。例如，我们可以让 SIGALRM 和 SIGTERM 同时挂起，但我们不能有两个 SIGALRM 信号挂起。进程将只收到一个SIGALRM信号，即使是多次抛出。

通过实时信号，信号可以和数据一起排队，这样每个信号的实例都可以单独传递和处理。

POSIX没有规定标准信号的传递顺序，也没有规定如果标准信号和实时信号都在等待中会如何处理。然而在Linux中，会优先处理标准信号。对于实时信号，编号较低的信号首先被传递，如果一个信号类型有很多在排队，最早的一个会被首先传递。

大事记

• 1990 信号在 POSIX.1-1990 标准中得到了描述。可以追溯至 IEEE标准1003.1-1988。
• 1993 实时扩展作为 POSIX.1b 发布。其中包含实时信号。
• 1999 随着内核版本 2.2 的发布，Linux 开始支持实时信号。
• 2001 POSIX.1-2001 标准中增加了更多信号：SIGBUS、SIGPOLL、SIGPROF、SIGSYS、SIGTRAP、SIGURG、SIGVTALRM、SIGXCPU、SIGXFSZ。
  

示例代码

// Example shows a custom handler for SIGINT
// but the handler reverts to default action for future signals.
// Thus, first ctrl+c will allow program to continue
// and second ctrl+c will terminate the program.

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void sig_handler1(int num)
{
	printf("You are here becoz of signal: %d\n", num);
	signal(SIGINT, SIG_DFL);
}

int main()
{
	signal(SIGINT, sig_handler1);
	while(1)
	{
		printf("Hello\n");
		sleep(2);
	}
}

参考

1. 原文链接：linux-signals