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Linux信号机制详解

1. 信号的概念及机制

信号在计算机科学中扮演着重要角色，就像人类社会中的信息传递一样。Linux系统中的信号用于通知进程某些事件发生，进程接收到信号后会暂停当前执行任务，处理信号，等处理完毕后再继续执行。信号的核心特征包括四个要素：信号编号、信号名、产生事件以及默认处理动作。

2. 信号的产生与处理方式

信号可以通过多种方式产生，主要有以下几种：

• 按键产生：如Ctrl+c、Ctrl+z，这些组合键常用于终止进程。
• 系统调用产生：如kill、raise、abort，这些函数用于强制终止进程。
• 硬件异常产生：如段错误、除零错误、总线错误等，这些错误会触发相应的信号。
• 软件条件产生：如定时器超时（alarm函数）。
• 命令产生：如shell中的kill命令。

信号的处理方式主要有三种：

• 执行默认动作：如终止进程、生成核心文件等。
• 忽略信号：不采取任何特殊处理。
• 捕获并执行自定义操作：通过注册信号处理函数来实现。

需要注意的是，SIGKILL和SIGSTOP信号无法被捕捉、阻塞或忽略，只能执行默认动作。

3. 内核处理信号的机制

信号的产生和处理主要由内核完成。当内核检测到某个信号被触发时，并不会立即处理，而是在用户模式返回时（如系统调用、中断或异常返回）才会进行处理。这种机制确保了信号处理的正确性和稳定性。

4. 信号的编号

在Linux系统中，信号编号从1到31，其中1~31为普通信号，32~63为实时信号（主要用于硬件驱动编程）。可以通过kill -l命令查看系统支持的所有信号。

5. 信号的默认动作

信号的默认动作根据具体信号类型有所不同，常见的有：

• SIGTERM：终止进程。
• SIGCORE：终止进程并生成核心文件。
• SIGIGNORE：忽略信号。
• SIGCONT：继续执行进程。
• SIGSTOP：暂停进程。

通过man 7 signal命令可以查看各信号的详细描述。

6. Linux系统提供的信号操作函数

6.1 信号的产生

可以通过kill函数向指定进程发送指定信号。函数原型如下：

int kill(pid_t pid, int sig);

其中sig为信号名，需使用宏定义，如SIGKILL。

6.2 信号捕捉

• 注册信号捕捉函数：

  typedef void (*sighandler_t)(int);
  sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

• 更健壮的接口：

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

  结构体struct sigaction包含以下成员：

  • sa_handler：信号捕捉后的处理函数。
  • sa_mask：屏蔽信号集。
  • sa_flags：信号处理标志。

6.3 信号集操作

进程控制块维护两个信号集：阻塞信号集和未决信号集。可以通过以下函数进行操作：

• 初始化与清空信号集：

  int sigemptyset(sigset_t *set);
  int sigfillset(sigset_t *set);

• 信号集操作：

  int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
  int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
  int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

• 设置与解除信号屏蔽：

  int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

• 读取未决信号集：

  int sigpending(sigset_t *set);

• 替换屏蔽信号集并挂起进程：

  int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

6.4 捕捉默认信号处理

通过修改默认信号处理函数，可以改变信号的行为。例如，捕捉SIGINT信号并打印进程ID。

7. 信号接口函数测试

7.1 修改SIGINT默认动作

#include 
   
    
#include 
    
     
#include 
     
      
void sigint_handler(int sig) {
    printf("Current Process Id = %d\n", getpid());
}
int main(int argc, char **argv) {
    signal(SIGINT, sigint_handler);
    while (1) {
        sleep(10);
    }
    return 0;
}
     
    
   

运行此程序时，按下Ctrl+c组合键，程序不会终止，而是打印当前进程ID。

7.2 实现自定义的mysleep函数

#include 
   
    
#include 
    
     
#include 
     
      
void sig_alrm(int signo) {
    /* nothing to do */
}
unsigned int mysleep(unsigned int nsecs) {
    struct sigaction newact, oldact;
    sigset_t newmask, oldmask, suspmask;
    unsigned int unslept;
    newact.sa_handler = sig_alrm;
    sigemptyset(&newact.sa_mask);
    newact.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &newact, &oldact);
    sigemptyset(&newmask);
    sigaddset(&newmask, SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
    alarm(nsecs);
    suspmask = oldmask;
    sigdelset(&suspmask, SIGALRM);
    sigsuspend(&suspmask);
    unslept = alarm(0);
    sigaction(SIGALRM, &oldact, NULL);
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
    return unslept;
}
int main(void) {
    while (1) {
        mysleep(2);
        printf("Two seconds passed\n");
    }
    return 0;
}
     
    
   

通过mysleep函数，可以实现自定义的睡眠功能，忽略SIGALRM信号，默认动作为终止进程。