深入了解Linux信号：作用、产生、捕捉和阻塞

引言

Linux操作系统中，信号是一种重要的进程间通信机制，用于通知进程发生了某些事件。信号既可以是来自内核的通知，也可以是由其他进程发送的。在本篇博客中，我们将深入探讨Linux信号的作用、产生机制、捕捉方式以及信号阻塞的概念。

1. 信号的基本概念

1.1 信号的分类和编号：

Linux中的信号被分类为标准信号和实时信号。

标准信号是最基本的信号类型，由整数编号表示，编号范围是1到31。
实时信号是Linux中的扩展信号类型，由整数编号表示，编号范围是32到64。

为什么31-34中间缺少两个信号无法展示呢？

kill -l 命令用于列出系统支持的所有信号名称，但它并不显示编号为32和33的信号。这是因为Linux中的信号被分类为标准信号和实时信号，而编号为32和33的信号属于实时信号，它们在kill -l的输出中不会显示。

1.2 查看信号默认处理动作

man 7 signal

1.3 信号的作用

信号在Linux系统中有多种作用，包括通知进程某个事件的发生、中断进程的正常执行、以及在进程间传递简单的消息等。不同的信号有不同的含义和影响，了解这些信号是理解Linux系统行为的关键（常见信号及作用请看第2点）。

1.4 信号的产生

信号可以由多种来源产生，包括硬件故障、用户输入、操作系统事件等。例如，Ctrl+C组合键产生SIGINT信号，表示中断信号，通常用于终止正在运行的程序。此外，操作系统还可以向进程发送信号以通知发生的事件，如进程终止、停止等。

2. 常见信号及其作用

SIGINT (2) - 中断信号：

• 作用：用于通知进程中断正在执行的操作，通常由用户通过键入 Ctrl+C 生成。

• 例子：在终端中运行一个长时间执行的程序，用户可以按下 Ctrl+C 来发送 SIGINT 信号，终止程序的执行。
  
  SIGTERM (15) - 终止信号：

• 作用：请求进程正常终止，允许进程清理资源和保存状态。

• 例子：当系统关闭时，操作系统向所有运行的进程发送 SIGTERM 信号，请求它们正常退出。
  
  SIGKILL (9) - 强制终止信号：

• 作用：立即终止进程，不允许进程清理资源或保存状态。

• 例子：在系统管理员需要立即停止一个无响应的进程时，可以使用 kill -9 命令发送SIGKILL信号。
  

SIGSEGV (11) - 段错误信号：

• 作用：表示进程尝试访问其无法访问的内存区域，通常是由于指针错误或内存越界引起。
• 例子：如果一个程序尝试访问已经释放的内存块，操作系统将发送SIGSEGV信号给该进程，使其崩溃。

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

// SIGSEGV信号处理函数
void segv_handler(int signum) {
    printf("Segmentation fault (SIGSEGV) caught. Exiting...\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

int main() {
    // 设置SIGSEGV信号处理函数
    signal(SIGSEGV, segv_handler);

    int *ptr = NULL;

    // 尝试解引用空指针，导致段错误
    *ptr = 10;

    // 这里的代码不会执行，因为上面的语句导致了段错误
    printf("This line will not be reached.\n");

    return 0;
}

我们通过signal函数将segv_handler函数与SIGSEGV信号关联起来。当运行程序并尝试解引用空指针时，会触发段错误，然后程序会捕获SIGSEGV信号并执行segv_handler函数。在这个处理函数中，我们输出一条消息并调用exit退出程序。

SIGUSR1 (10) 和 SIGUSR2 (12) - 用户定义信号：

• 作用：这两个信号没有预定义的含义，可以由用户自定义其作用。
• 例子：某个应用程序可以使用这两个信号来触发自定义的操作，比如重新加载配置文件或执行特定的功能。

示例

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

// SIGUSR1信号处理函数
void sigusr1_handler(int signum) {
    printf("Received SIGUSR1 signal.\n");
    // 在这里执行与SIGUSR1相关的操作
}
// SIGUSR2信号处理函数
void sigusr2_handler(int signum) {
    printf("Received SIGUSR2 signal.\n");
    // 在这里执行与SIGUSR2相关的操作
}

int main() {
    // 设置SIGUSR1和SIGUSR2信号处理函数
    signal(SIGUSR1, sigusr1_handler);
    signal(SIGUSR2, sigusr2_handler);

    printf("My process ID: %d\n", getpid());
    printf("I am process[%d], Waiting for SIGUSR1 or SIGUSR2 signals...\n",getpid());

    while (1) {
        // 进程持续运行
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

这些信号的作用覆盖了从正常终止到异常情况的多个场景，使得进程能够及时响应各种事件。在编写程序时，了解这些信号及其作用是确保程序稳定性和可维护性的关键。

3. 信号捕捉和处理

Linux允许进程捕捉和处理信号，以执行自定义的操作。信号处理可以通过以下方式实现：

3.1 信号捕捉函数

在C语言中，可以使用 signal 函数来设置信号的处理函数。例如：

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

void handler(int signal)
{
	printf("i am process[%d],get a signal:%d\n",getpid(),signal);
	// 处理信号的代码
}
int main()
{
	int signo;
	// 设置 1~31信号 的处理函数为 sigint_handler
	for (signo = 1; signo <= 31; signo++){
		signal(signo, handler);
	}
	while (1){
		sleep(1);
		// 进程持续运行
	}
	return 0;
}

但是为什么不能捕捉 9 号信号呢？

1. 9号信号（SIGKILL）是不能被捕捉的。这是因为SIGKILL信号是Linux系统中的一种特殊信号，它具有最高的优先级，并且无法被进程捕获、阻塞或忽略。当进程收到SIGKILL信号时，它会被立即终止，而无法执行任何处理逻辑。

2. 这种设计是为了确保系统的稳定性和安全性。SIGKILL信号通常用于强制结束一些不响应或处于异常状态的系统进程，以防止它们对系统造成损害或影响其他进程的正常运行。因此，为了确保这种强制终止的执行，SIGKILL信号不能被捕获或修改其默认行为。

3.2 sigaction 函数

sigaction 函数是一种更为可靠和灵活的处理信号的方式，相较于 signal 函数，它提供了更多的控制选项。它允许指定处理函数、设置标志和提供可选的信号屏蔽。

   #include <signal.h>

   int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
                 struct sigaction *oldact);
    The sigaction structure is defined as something like:

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

示例

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

// SIGUSR1 信号处理函数
void sigusr1_handler(int signum) {
    printf("Received SIGUSR1 signal.\n");
    // 在这里执行与 SIGUSR1 相关的操作
}

int main() {
    struct sigaction sa;

    // 设置 sa 结构体
    sa.sa_handler = sigusr1_handler;
    sa.sa_flags = 0;

    // 清空 sa_mask，即不阻塞任何其他信号
    sigemptyset(&sa.sa_mask);

    // 使用 sigaction 函数关联 SIGUSR1 信号和处理函数
    if (sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL) == -1) {
        perror("Error setting up SIGUSR1 handler");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("My process ID: %d\n", getpid());
    printf("Waiting for SIGUSR1 signal...\n");

    while (1) {
        // 进程持续运行
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

上述示例中我们使用了 sigaction 函数来设置对 SIGUSR1 信号的处理。struct sigaction 结构体用于指定信号处理函数及其他相关属性。在 main 函数中，我们设置了 sa_handler 为 sigusr1_handler，表示接收到 SIGUSR1 信号时执行这个处理函数。
上述示例中，我们还清空了 sa_mask，即不阻塞任何其他信号。如果你希望在信号处理期间阻塞某些其他信号，可以使用 sigaddset 等函数来设置 sa_mask。

此外，sa_flags 可以用来设置不同的标志，例如 SA_RESTART 用于指示系统调用在接收到信号后是否应该自动重启。

4. 信号阻塞

信号阻塞是指进程暂时屏蔽对某些信号的处理。在某些情况下，我们希望在处理一个信号时，暂时阻塞掉其他同类的信号，以确保处理的完整性。可以使用 sigprocmask 函数来设置信号阻塞。

#include <signal.h>

// 阻塞 SIGINT 信号
sigset_t new_mask, old_mask;
sigemptyset(&new_mask);
sigaddset(&new_mask, SIGINT);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask, &old_mask);

// 执行一些需要阻塞 SIGINT 的操作

// 恢复原信号屏蔽状态
sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL);

示例

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

// SIGUSR1 信号处理函数
void sigusr1_handler(int signum) {
    printf("Received SIGUSR1 signal.\n");
    // 在这里执行与 SIGUSR1 相关的操作
}

int main() {
    // 设置 SIGUSR1 信号处理函数
    signal(SIGUSR1, sigusr1_handler);

    printf("My process ID: %d\n", getpid());
    printf("Waiting for SIGUSR1 signal (blocked)...\n");

    // 创建一个集合来存储被阻塞的信号
    sigset_t block_mask;
    sigemptyset(&block_mask);  // 清空信号集

    // 将 SIGUSR1 加入到被阻塞的信号集中
    sigaddset(&block_mask, SIGUSR1);

    // 使用 sigprocmask 阻塞指定信号
    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_mask, NULL) == -1) {
        perror("Error blocking SIGUSR1");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 在这里进行一些工作，期间 SIGUSR1 信号会被阻塞

    // 解除对 SIGUSR1 的阻塞
    if (sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &block_mask, NULL) == -1) {
        perror("Error unblocking SIGUSR1");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Waiting for SIGUSR1 signal (unblocked)...\n");

    while (1) {
        // 进程持续运行
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

上述示例中，首先使用 sigemptyset 清空信号集，然后使用 sigaddset 将SIGUSR1
添加到被阻塞的信号集中。接着，使用 sigprocmask 函数将这个信号集应用到当前进程，从而阻塞了 SIGUSR1 信号。
在需要解除对信号的阻塞时，同样使用 sigprocmask 函数，但这次使用 SIG_UNBLOCK 标志。这样就解除了对
SIGUSR1 信号的阻塞。
这个过程演示了如何在程序运行过程中阻塞和解除阻塞指定的信号。在实际应用中，这种机制通常用于确保某些关键部分的原子性，防止信号中断影响程序的正常执行。

结语

通过本文，我们深入了解了Linux信号的基本概念、常见信号及其作用、信号的产生方式，以及信号的捕捉和阻塞。在编写和调试Linux应用程序时，对信号的理解是至关重要的，它为我们处理进程间通信和异常情况提供了强大的工具。希望本文能够帮助你更好地利用Linux信号机制。