本文主要介紹Linux信號系統(tǒng)和如何使用POSIX API來響應(yīng)信號。本文中的示例適用于Linux系統(tǒng)和大部分POSIX兼容系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)中的信號

在下列情況下，我們的應(yīng)用進(jìn)程可能會收到系統(tǒng)信號：

用戶空間的其他進(jìn)程調(diào)用了類似kill（2）函數(shù)

進(jìn)程自身調(diào)用了類似about（3）函數(shù)

當(dāng)子進(jìn)程退出時，內(nèi)核會向父進(jìn)程發(fā)送SIGCHLD信號

當(dāng)父進(jìn)程退出時，所有子進(jìn)程會收到SIGHUP信號

當(dāng)用戶通過鍵盤終端進(jìn)程（ctrl+c）時，進(jìn)程會收到SIGINT信號

當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行出現(xiàn)問題時，可能會收到SIGILL、SIGFPE、SIGSEGV等信號

當(dāng)進(jìn)程在調(diào)用mmap（2）的時候失?。赡苁且驗橛成涞奈募黄渌M(jìn)程截短），會收到SIGBUS信號

當(dāng)使用性能調(diào)優(yōu)工具時，進(jìn)程可能會收到SIGPROF。這一般是程序未能正確處理中斷系統(tǒng)函數(shù)（如read（2））。

當(dāng)使用write（2）或類似數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)時，如果對方已經(jīng)斷開連接，進(jìn)程會收到SIGPIPE信號。

如需了解所有系統(tǒng)信號，參見signal（7）手冊。

信號的默認(rèn)行為

每個信號都關(guān)聯(lián)一個默認(rèn)的行為，當(dāng)進(jìn)程沒有捕獲并處理信號時，進(jìn)程會按照默認(rèn)的行為處理信號。

這些默認(rèn)行為包括：

結(jié)束進(jìn)程。這是最通用默認(rèn)行為，包括SIGTERM、SIGQUIT、SIGPIPE、SIGUSR1、SIGUSR2等信號。

結(jié)束并執(zhí)行核心轉(zhuǎn)儲。包括SIGSEGV、SIGILL、SIGABRT等信號，這一般都是因為代碼中存在錯誤。

一些信號默認(rèn)會被忽略，例如SIGCHLD。

掛起進(jìn)程。SIGSTOP信號會引起進(jìn)程掛起，而SIGCOND能夠?qū)炱鸬倪M(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。該過程常見于在控制臺使用ctrl+z組合鍵。

信號處理

最傳統(tǒng)的信號處理方式是使用signal（2）函數(shù)裝載一個信號處理函數(shù)。但是這種方式已經(jīng)被廢棄，主要原因是在UNIX實(shí)現(xiàn)中，收到信號之后，會重置回默認(rèn)的信號處理行為。同時，該行為是不跨平臺的。因此，建議的信號處理方式是使用sigaction（2）函數(shù)。

sigaction（2）函數(shù)的原型為：

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

值得注意的是，sigaction（2）函數(shù)不直接接受信號處理函數(shù)，而需要使用struct sigaction結(jié)構(gòu)體，其定義為：

struct sigaction { void （*sa_handler）（int）; void （*sa_sigaction）（int， siginfo_t *， void *）; sigset_t sa_mask; int sa_flags; void （*sa_restorer）（void）;};

其中一些關(guān)鍵字段：

sa_handler：信號處理函數(shù)的函數(shù)指針，其函數(shù)原型和signal（2）接受的信號處理函數(shù)相同。

sa_sigaction：另一種信號處理函數(shù)指針，它能在處理信號時獲取更多信號相關(guān)的信息。

sa_mask：允許設(shè)置信號處理函數(shù)執(zhí)行時需要阻塞的信號。

sa_flags：修改信號處理函數(shù)執(zhí)行時的默認(rèn)行為，具體可選值請參照手冊。

sigaction使用示例：

#include #include #include #include static void hdl （int sig， siginfo_t *siginfo， void *context）{ printf （“Sending PID： %ld， UID： %ld\n”， （long）siginfo-》si_pid， （long）siginfo-》si_uid）;}int main （int argc， char *argv［］）{ struct sigaction act; memset （&act， ‘\0’， sizeof（act））; /* 這里使用sa_sigaction字段，因為該字段提供了兩個額外的參數(shù)， 可以獲取關(guān)于接收信號的更多信息。 */ act.sa_sigaction = &hdl; /* SA_SIGINFO標(biāo)識告訴sigaction函數(shù)使用sa_sigaction字段，而非sa_handler字段*/ act.sa_flags = SA_SIGINFO; if （sigaction（SIGTERM， &act， NULL） 《 0） { perror （“sigaction”）; return 1; } while （1） sleep （10）; return 0;}

該示例中使用了三個參數(shù)版本的信號處理函數(shù)來響應(yīng)SIGTERM信號，編譯（假設(shè)源文件名為sig.c）并執(zhí)行程序，可以有以下輸出：

gcc -o sig sig.c./sig &kill $！

Sending PID： 16200， UID： 1000

注意，使用三參數(shù)版本信號處理函數(shù)時，必須將sa_flags字段設(shè)置為SA_SIGINFO，否則信號處理函數(shù)將無法獲取到正確的siginfo_t對象。

對于siginfo_t結(jié)構(gòu)體，sigaction（2）的手冊中有詳細(xì)介紹，其中的幾個字段非常有用：

si_code：用于標(biāo)識信號的來源，例如kill（2）、raise（3）等通過程序調(diào)用產(chǎn)生的信號，該值為SI_USER；而由內(nèi)核發(fā)送的信號，該值為SI_KERNEL。

對于SIGCHLD信號，可以從si_status字段（進(jìn)程退出碼）、si_utime字段（進(jìn)程消耗的用戶態(tài)時間）和si_stime字段（進(jìn)程消耗的內(nèi)核態(tài)時間）獲取更多信息。

對于SIGILL、SIGFPE、SIGSEGV、SIGBUS等信號，可以從si_addr字段獲取發(fā)生錯誤的內(nèi)存地址。

常見問題

由于信號處理函數(shù)是異步執(zhí)行且無法預(yù)知執(zhí)行時間，因此編碼時需要特別注意異步執(zhí)行產(chǎn)生的問題，尤其是主函數(shù)和信號處理函數(shù)之間共享的數(shù)據(jù)。

首先是編譯器優(yōu)化。如果一個變量在主函數(shù)中循環(huán)讀取，信號處理函數(shù)中修改（例如一個退出標(biāo)識），這時編譯器優(yōu)化可能導(dǎo)致信號處理函數(shù)中的修改無法讓主函數(shù)感知到。例如如下代碼：

#include #include #include #include static int exit_flag = 0;static void hdl （int sig）{ exit_flag = 1;}int main （int argc， char *argv［］）{ struct sigaction act; memset （&act， ‘\0’， sizeof（act））; act.sa_handler = &hdl; if （sigaction（SIGTERM， &act， NULL） 《 0） { perror （“sigaction”）; return 1; } while （！exit_flag） ; return 0;}

如果使用gcc O2級別的優(yōu)化，該程序會按照預(yù)期，在接收到SIGTERM信號時退出。但是，如果優(yōu)化級別調(diào)整到O3，向進(jìn)程發(fā)送SIGTERM信號之后，進(jìn)程還會繼續(xù)運(yùn)行（假設(shè)文件名為test_sig.c）：

gcc -o test -O3 test_sig.c./test &killall test

這時控制臺不會提示后臺進(jìn)程退出，使用jobs命令查看后，test進(jìn)程仍然存在：

jinlingjie@localhost ~/data/Downloads $ 。/test &［1］ 2532jinlingjie@localhost ~/data/Downloads $ killall testjinlingjie@localhost ~/data/Downloads $ jobs［1］+ 運(yùn)行中 。/test &

這是因為在O3級別的優(yōu)化中，編譯器發(fā)現(xiàn)while循環(huán)會不停讀取exit_flag變量，為了加快讀取速度，編譯器會把該變量值直接加載到寄存器中，而不再每次從內(nèi)存讀取。此時信號處理函數(shù)再修改exit_flag變量，不會被更新到寄存器中，因此進(jìn)程無法退出。對于這種場景，需要給共享變量增加volatile關(guān)鍵字，以確保進(jìn)程每次讀取變量時，都去內(nèi)存重新獲取最新的值。

上面的示例中的場景，還需要考慮對共享變量修改的原子性。在一些平臺上int類型的讀取或者寫入可能不是原子的。信號系統(tǒng)提供sig_atomic_t對象，以確保原子的讀寫。

除此以外，編寫信號處理函數(shù)還需要注意信號安全。因為信號處理函數(shù)調(diào)用的其他函數(shù)也有可能被信號中斷，signal（7）手冊的Async-signal-safe functions（異步信號安全函數(shù)）章節(jié)詳細(xì)列舉了所有在信號處理函數(shù)中可以安全調(diào)用的函數(shù)。

特殊信號處理

SIGCHLD信號

如果父進(jìn)程不需要獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)碼，也不需要等待子進(jìn)程的退出，唯一的目的是清理僵尸進(jìn)程。那么，父進(jìn)程只需要處理SIGCHLD信號，并進(jìn)行清理即可：

static void sigchld_hdl （int sig）{ /* 等待所有已經(jīng)退出的子進(jìn)程。 * 這里使用非阻塞的調(diào)用以防止子進(jìn)程在代碼其他地方被清理。 */ while （waitpid（-1， NULL， WNOHANG） 》 0） { }}

這是一個簡單的信號處理函數(shù)，如果需要做更多的工作，請?zhí)貏e注意不要使用非異步信號安全的函數(shù)。

SIGBUS信號

前面提到過SIGBUS信號通常是訪問被映射（mmap（2））的內(nèi)存時，無法映射到對應(yīng)文件（通常是文件被截斷了）。這種非正常情況下，進(jìn)程的一般行為是直接退出，但是如果一定要處理SIGBUS信號還是可行的。這時可以通過sigsetjmp（3）和siglongjmp（3）來跳過發(fā)生錯誤的地方，從而讓程序繼續(xù)運(yùn)行。

需要特別注意的是，信號處理函數(shù)執(zhí)行了siglongjmp（3）調(diào)用之后，代碼沒有繼續(xù)運(yùn)行下去，而是直接跳轉(zhuǎn)到sigsetjmp（3）位置重新開始執(zhí)行。如果此時代碼仍然持有鎖等資源，將不會釋放，如果后續(xù)代碼繼續(xù)去競爭鎖，可能會導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。

SIGSEGV信號

處理SIGSEGV（段錯誤）信號是可能的，但這一般是沒有意義的，因為即使代碼重新運(yùn)行了，運(yùn)行到同樣的地方仍然可能發(fā)生段錯誤。其中一種重啟程序有效的情況是通過mmap（2）獲取到的內(nèi)存有寫保護(hù)，由此產(chǎn)生的SIGSEGV信號（可以通過信號處理函數(shù)中的siginfo_t參數(shù)獲取發(fā)生原因），可能可以通過mprotect（2）函數(shù)來去除寫保護(hù)。

如果段錯誤是因為?？臻g不足導(dǎo)致的，那么這時將無法通過信號處理函數(shù)來處理SIGSEGV信號。因為信號處理函數(shù)同樣需要分配?？臻g來執(zhí)行。這種情況下，可以通過sigaltstack（2）函數(shù)為信號處理函數(shù)定義獨(dú)立的棧空間。

SIGABRT信號

試圖處理SIGABRT信號時，需要了解abort（3）函數(shù)的運(yùn)行原理：該函數(shù)會先發(fā)送SIGABRT信號，如果該信號被忽略，或者對應(yīng)的信號處理函數(shù)正常返回（沒有通過longjmp（3）跳轉(zhuǎn)），它會將信號處理函數(shù)重置為默認(rèn)方式，并且重新發(fā)送SIGABRT信號信號，這將導(dǎo)致進(jìn)程退出。因此，處理SIGABRT信號的作用可能是在進(jìn)程結(jié)束前做一些最后的操作，或者使用longjmp（3）從新的地方開始執(zhí)行。

信號和fork（）

當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用fork（2）函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程時，子進(jìn)程不會復(fù)制父進(jìn)程的信號隊列，即使此時父進(jìn)程的信號隊列非空，也會單獨(dú)創(chuàng)建一個空的信號隊列。但是，子進(jìn)程會繼承父進(jìn)程的所有信號處理函數(shù)和信號阻塞狀態(tài)。因此如果父進(jìn)程已經(jīng)完成對信號的設(shè)置，沒有特殊情況子進(jìn)程無須重新設(shè)置。

信號和線程

由于POSIX規(guī)范中，所有的一個進(jìn)程的所有線程都有相同的進(jìn)程ID（PID），向多線程進(jìn)程發(fā)送信號有兩種情況：

向進(jìn)程發(fā)送信號（使用類似kill（2）這樣的函數(shù)直接向進(jìn)程發(fā)送信號）：線程可以通過pthread_sigmask（2）單獨(dú)設(shè)置需要阻塞的信號。因此如果有線程沒有阻塞當(dāng)前發(fā)送的信號，進(jìn)程中的一個線程會收到該信號（但是沒有特殊說明具體哪個線程會收到）；如果所有的線程都阻塞了當(dāng)前發(fā)送的信號，該信號會被加入進(jìn)程的信號隊列；如果進(jìn)程沒有設(shè)置當(dāng)前信號的信號處理函數(shù)，并且該信號的默認(rèn)行為是終止進(jìn)程，那么整個進(jìn)程都將被終止。

向特性線程發(fā)送信號（使用pthread_kill（2））：線程可以通過pthread_kill（2）向進(jìn)程中的其他線程（或者自身）發(fā)送信號，此時信號會發(fā)送到對應(yīng)線程的信號隊列中。同時操作系統(tǒng)也可能會向特性線程發(fā)送諸如SIGSEGV信號。如果接收信號的線程沒有處理對應(yīng)的信號，且該信號的默認(rèn)行為是終止進(jìn)程，那么該線程所在的進(jìn)程都將被終止。

信號發(fā)送

向進(jìn)程發(fā)送信號的方式可以有：

通過鍵盤交互：一些鍵盤的組合鍵，可以向控制臺正在執(zhí)行的進(jìn)程發(fā)送信號。

CTRL+C：發(fā)送SIGINT信號，該信號默認(rèn)行為是終止進(jìn)程。

CTRL+\：發(fā)送SIGQUIT信號，該信好默認(rèn)行為是終止進(jìn)程并核心轉(zhuǎn)儲。

CTRL+Z：發(fā)送SIGSTOP信號，該信號默認(rèn)行為是掛起進(jìn)程。

kill（2）：kill（2）函數(shù)接受兩個參數(shù)，一個是信號發(fā)送的進(jìn)程ID，一個是需要發(fā)送的信號。其中的進(jìn)程ID有一些特殊的約定。

0：如果PID為0，信號發(fā)送的目標(biāo)是當(dāng)前進(jìn)程組的所有進(jìn)程。

-1：如果PID為-1，信號發(fā)送的目標(biāo)是所有（有權(quán)限發(fā)送信號）的進(jìn)程。

《 -1：如果PID小于-1，信號發(fā)送的目標(biāo)是進(jìn)程ID為-PID的進(jìn)程組。

向進(jìn)程自身發(fā)送信號：進(jìn)程可以通過調(diào)用raise（3）、abort（3）等函數(shù)向自身發(fā)送信號。

raise（3）：可以向進(jìn)程發(fā)送指定信號，需要注意的是，在多線程環(huán)境中，只會向當(dāng)前線程發(fā)送信號。

abort（3）：向當(dāng)前進(jìn)程發(fā)送SIGABRT信號，前文已經(jīng)提到過，該函數(shù)會重置信號處理函數(shù)，因此無需關(guān)心進(jìn)程是否已經(jīng)處理了SIGABRT信號。

sigqueue（2）：該函數(shù)和kill（2）函數(shù)類似，但是多了一個sigval參數(shù)。因此調(diào)用者可以向信號處理函數(shù)傳遞一個整數(shù)或者一個指針。信號處理函數(shù)可以通過siginfo_t參數(shù)獲取該參數(shù)。

信號阻塞

有些時候，我們需要阻塞信號，防止信號打斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，而不是捕獲和處理信號。傳統(tǒng)的 signal（2）函數(shù)可以通過將信號處理函數(shù)設(shè)置為SIG_IGN來實(shí)現(xiàn)阻塞的功能。但是該方式已經(jīng)廢棄，建議使用sigprocmask（2）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)信號阻塞功能，因為它提供了更多的參數(shù)，可以適用于復(fù)雜場景。

一個簡單的示例：

#include #include #include #include static int got_signal = 0;static void hdl （int sig）{ got_signal = 1;}int main （int argc， char *argv［］）{ sigset_t mask; sigset_t orig_mask; struct sigaction act; memset （&act， 0， sizeof（act））; act.sa_handler = hdl; if （sigaction（SIGTERM， &act， 0）） { perror （“sigaction”）; return 1; } sigemptyset （&mask）; sigaddset （&mask， SIGTERM）; if （sigprocmask（SIG_BLOCK， &mask， &orig_mask） 《 0） { perror （“sigprocmask”）; return 1; } sleep （10）; if （sigprocmask（SIG_SETMASK， &orig_mask， NULL） 《 0） { perror （“sigprocmask”）; return 1; } sleep （1）; if （got_signal） puts （“Got signal”）; return 0;}

上述示例展示了通過sigprocmask（2）函數(shù)來阻塞SIGTERM信號10秒，此時如果進(jìn)程接收到了SIGTERM信號，會被加入到進(jìn)程的信號隊列中。解除對SIGTERM信號的阻塞，此時如果之前的信號隊列中有SIGTERM信號，或者新收到了SIGTERM信號，就會執(zhí)行對應(yīng)的信號處理函數(shù)。

阻塞信號使用的一個場景就是防止信號的競爭。一些函數(shù)（如select（2）、poll（2））會阻塞當(dāng)前函數(shù)執(zhí)行，這時在異常的情況下，這些函數(shù)會期望通過信號來中斷當(dāng)前的阻塞操作。但是，如果此時程序還設(shè)置了其他信號處理函數(shù)，這時信號可能會被設(shè)置的信號處理函數(shù)消費(fèi)，導(dǎo)致阻塞操作的函數(shù)仍然執(zhí)行，無法中斷。

遇到這種情況，就需要使用sigprocmask（2）配合支持重置sigmask的阻塞函數(shù)（如pselect（2）poll（2）），大致的示例代碼片段如下：

sigemptyset （&mask）;sigaddset （&mask， SIGTERM）;if （sigprocmask（SIG_BLOCK， &mask， &orig_mask） 《 0） { perror （“sigprocmask”）; return 1;}while （！exit_request） { /* 如果在這里接收到信號，信號會被阻塞， * 直到取消阻塞（下面pselect實(shí)現(xiàn)） */ FD_ZERO （&fds）; FD_SET （lfd， &fds）; res = pselect （lfd + 1， &fds， NULL， NULL， NULL， &orig_mask）; /* 下面繼續(xù)文件描述符操作 */}

后記

本文對Linux/UNIX信號系統(tǒng)、信號的處理、發(fā)送、阻塞等做了簡單的介紹。但是整個信號系統(tǒng)非常復(fù)雜，還有很多沒有提到的內(nèi)容，期待和大家繼續(xù)交流。