本文主要介紹Linux信號(hào)系統(tǒng)和如何使用POSIX API來響應(yīng)信號(hào)。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(hào)

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

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(shí)，內(nèi)核會(huì)向父進(jìn)程發(fā)送SIGCHLD信號(hào)

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

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

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

當(dāng)進(jìn)程在調(diào)用mmap（2）的時(shí)候失敗（可能是因?yàn)橛成涞奈募黄渌M(jìn)程截短），會(huì)收到SIGBUS信號(hào)

當(dāng)使用性能調(diào)優(yōu)工具時(shí)，進(jìn)程可能會(huì)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(shí)，如果對方已經(jīng)斷開連接，進(jìn)程會(huì)收到SIGPIPE信號(hào)。

如需了解所有系統(tǒng)信號(hào)，參見signal（7）手冊。

信號(hào)的默認(rèn)行為

每個(gè)信號(hào)都關(guān)聯(lián)一個(gè)默認(rèn)的行為，當(dāng)進(jìn)程沒有捕獲并處理信號(hào)時(shí)，進(jìn)程會(huì)按照默認(rèn)的行為處理信號(hào)。

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(hào)。

結(jié)束并執(zhí)行核心轉(zhuǎn)儲(chǔ)。包括SIGSEGV、SIGILL、SIGABRT等信號(hào)，這一般都是因?yàn)榇a中存在錯(cuò)誤。

一些信號(hào)默認(rèn)會(huì)被忽略，例如SIGCHLD。

掛起進(jìn)程。SIGSTOP信號(hào)會(huì)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(tái)使用ctrl+z組合鍵。

信號(hào)處理

最傳統(tǒng)的信號(hào)處理方式是使用signal（2）函數(shù)裝載一個(gè)信號(hào)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(hào)之后，會(huì)重置回默認(rèn)的信號(hào)處理行為。同時(shí)，該行為是不跨平臺(tái)的。因此，建議的信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)處理函數(shù)相同。

sa_sigaction：另一種信號(hào)處理函數(shù)指針，它能在處理信號(hào)時(shí)獲取更多信號(hào)相關(guān)的信息。

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

sa_flags：修改信號(hào)處理函數(shù)執(zhí)行時(shí)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?yàn)樵撟侄翁峁┝藘蓚€(gè)額外的參數(shù)， 可以獲取關(guān)于接收信號(hào)的更多信息。 */ act.sa_sigaction = &hdl; /* SA_SIGINFO標(biāo)識(shí)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(gè)參數(shù)版本的信號(hào)處理函數(shù)來響應(yīng)SIGTERM信號(hào)，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(hào)處理函數(shù)時(shí)，必須將sa_flags字段設(shè)置為SA_SIGINFO，否則信號(hào)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(gè)字段非常有用：

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

對于SIGCHLD信號(hào)，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(shí)間）和si_stime字段（進(jìn)程消耗的內(nèi)核態(tài)時(shí)間）獲取更多信息。

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

常見問題

由于信號(hào)處理函數(shù)是異步執(zhí)行且無法預(yù)知執(zhí)行時(shí)間，因此編碼時(shí)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(hào)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(gè)變量在主函數(shù)中循環(huán)讀取，信號(hào)處理函數(shù)中修改（例如一個(gè)退出標(biāo)識(shí)），這時(shí)編譯器優(yōu)化可能導(dǎo)致信號(hào)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(jí)別的優(yōu)化，該程序會(huì)按照預(yù)期，在接收到SIGTERM信號(hào)時(shí)退出。但是，如果優(yōu)化級(jí)別調(diào)整到O3，向進(jìn)程發(fā)送SIGTERM信號(hào)之后，進(jìn)程還會(huì)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(shí)控制臺(tái)不會(huì)提示后臺(tái)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?yàn)樵贠3級(jí)別的優(yōu)化中，編譯器發(fā)現(xiàn)while循環(huán)會(huì)不停讀取exit_flag變量，為了加快讀取速度，編譯器會(huì)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(shí)信號(hào)處理函數(shù)再修改exit_flag變量，不會(huì)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(shí)，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(tái)上int類型的讀取或者寫入可能不是原子的。信號(hào)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(hào)處理函數(shù)還需要注意信號(hào)安全。因?yàn)樾盘?hào)處理函數(shù)調(diào)用的其他函數(shù)也有可能被信號(hào)中斷，signal（7）手冊的Async-signal-safe functions（異步信號(hào)安全函數(shù)）章節(jié)詳細(xì)列舉了所有在信號(hào)處理函數(shù)中可以安全調(diào)用的函數(shù)。

特殊信號(hào)處理

SIGCHLD信號(hào)

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(hào)，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(gè)簡單的信號(hào)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(hào)安全的函數(shù)。

SIGBUS信號(hào)

前面提到過SIGBUS信號(hào)通常是訪問被映射（mmap（2））的內(nèi)存時(shí)，無法映射到對應(yīng)文件（通常是文件被截?cái)嗔耍＿@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(hào)還是可行的。這時(shí)可以通過sigsetjmp（3）和siglongjmp（3）來跳過發(fā)生錯(cuò)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(hào)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(shí)代碼仍然持有鎖等資源，將不會(huì)釋放，如果后續(xù)代碼繼續(xù)去競爭鎖，可能會(huì)導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。

SIGSEGV信號(hào)

處理SIGSEGV（段錯(cuò)誤）信號(hào)是可能的，但這一般是沒有意義的，因?yàn)榧词勾a重新運(yùn)行了，運(yùn)行到同樣的地方仍然可能發(fā)生段錯(cuò)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(hào)（可以通過信號(hào)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(cuò)誤是因?yàn)闂？臻g不足導(dǎo)致的，那么這時(shí)將無法通過信號(hào)處理函數(shù)來處理SIGSEGV信號(hào)。因?yàn)樾盘?hào)處理函數(shù)同樣需要分配棧空間來執(zhí)行。這種情況下，可以通過sigaltstack（2）函數(shù)為信號(hào)處理函數(shù)定義獨(dú)立的棧空間。

SIGABRT信號(hào)

試圖處理SIGABRT信號(hào)時(shí)，需要了解abort（3）函數(shù)的運(yùn)行原理：該函數(shù)會(huì)先發(fā)送SIGABRT信號(hào)，如果該信號(hào)被忽略，或者對應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)正常返回（沒有通過longjmp（3）跳轉(zhuǎn)），它會(huì)將信號(hào)處理函數(shù)重置為默認(rèn)方式，并且重新發(fā)送SIGABRT信號(hào)信號(hào)，這將導(dǎo)致進(jìn)程退出。因此，處理SIGABRT信號(hào)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(hào)和fork（）

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

信號(hào)和線程

由于POSIX規(guī)范中，所有的一個(gè)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(hào)有兩種情況：

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

向特性線程發(fā)送信號(hào)（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(hào)，此時(shí)信號(hào)會(huì)發(fā)送到對應(yīng)線程的信號(hào)隊(duì)列中。同時(shí)操作系統(tǒng)也可能會(huì)向特性線程發(fā)送諸如SIGSEGV信號(hào)。如果接收信號(hào)的線程沒有處理對應(yīng)的信號(hào)，且該信號(hào)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(hào)發(fā)送

向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)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(tái)正在執(zhí)行的進(jìn)程發(fā)送信號(hào)。

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

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

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

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

0：如果PID為0，信號(hào)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(hào)發(fā)送的目標(biāo)是所有（有權(quán)限發(fā)送信號(hào)）的進(jìn)程。

《 -1：如果PID小于-1，信號(hào)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(hào)：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(hào)。

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

abort（3）：向當(dāng)前進(jìn)程發(fā)送SIGABRT信號(hào)，前文已經(jīng)提到過，該函數(shù)會(huì)重置信號(hào)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(hào)。

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

信號(hào)阻塞

有些時(shí)候，我們需要阻塞信號(hào)，防止信號(hào)打斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，而不是捕獲和處理信號(hào)。傳統(tǒng)的 signal（2）函數(shù)可以通過將信號(hào)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(hào)阻塞功能，因?yàn)樗峁┝烁嗟膮?shù)，可以適用于復(fù)雜場景。

一個(gè)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(hào)10秒，此時(shí)如果進(jìn)程接收到了SIGTERM信號(hào)，會(huì)被加入到進(jìn)程的信號(hào)隊(duì)列中。解除對SIGTERM信號(hào)的阻塞，此時(shí)如果之前的信號(hào)隊(duì)列中有SIGTERM信號(hào)，或者新收到了SIGTERM信號(hào)，就會(huì)執(zhí)行對應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)。

阻塞信號(hào)使用的一個(gè)場景就是防止信號(hào)的競爭。一些函數(shù)（如select（2）、poll（2））會(huì)阻塞當(dāng)前函數(shù)執(zhí)行，這時(shí)在異常的情況下，這些函數(shù)會(huì)期望通過信號(hào)來中斷當(dāng)前的阻塞操作。但是，如果此時(shí)程序還設(shè)置了其他信號(hào)處理函數(shù)，這時(shí)信號(hào)可能會(huì)被設(shè)置的信號(hào)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(hào)，信號(hào)會(huì)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(hào)系統(tǒng)、信號(hào)的處理、發(fā)送、阻塞等做了簡單的介紹。但是整個(gè)信號(hào)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。