signal

信号机制是UNIX系统最古老的机制之一，它不仅是内核处理程序在运行时发生错误的方式，还是终端管理进程的方式，并且还是一种进程间通信机制。它普遍到当你像往常一样使用 ctrl+c 终止了一个程序, 你可能甚至都没有意识到发生了一次进程间通信。有时候进程并不需要发送/接收，或者共享大量数据即可进行通信，进程A只需要发出一个提示信号来告知另一个进程B发生了一些事情，以便进程B可以在检测到信号时立即触发动作。

关于不同进程间通信方式的差异和使用场景见 ipc

信号机制由三部分构成

1. 信号是怎么产生的，或者说是谁发送的？

2. 信号是怎么投递到进程或者线程的？

3. 信号是怎么处理的？

本文我们从这三方面入手详细介绍一下信号 signal 的机制

信号的产生

某一天我们在路口等待红绿灯，此时我们发现红灯变成了绿灯，但是前车依然没有动。此时我们并不会给他发短信或是下车走到车前敲敲玻璃告诉他已经绿灯了，而是会按下喇叭。前车司机听到喇叭声会猛然惊醒，然后检查发现已经变成绿灯，赶紧启动了车子继续行驶了

这是一个相当形象的例子，事实上这也暗示了信号作为进程间通信时的使用场景，即利用内核的信号机制告知其他进程来完成异步通信。不需要双方协商好数据格式以及收发处理，而是用信号机制(喇叭声)心照不宣的完成信息的传递(信号灯变绿)和处理(可以行驶)。

信号类型

信号的产生方式也就是发送方有三种，分别是

• 终端发送，比如我们在终端里输入Ctrl+C快捷键时，终端会给当前进程发送SIGINT信号

• 内核发送，比如进程非法访问内存，在异常处理中就会给当前线程发送SIGSEGV信号，也就是报错看到 segmentation fault。

• 进程发送，也就是一个进程给另一个进程发送或者是进程自己给自己发送。这里有很多接口函数可以选择，有的可以发给线程，有的可以发给进程，有的可以发给进程组甚至会话组。

终端发送属于进程发送的一种特例，因为shell本身是一个较为特殊的进程，因此单独做为一类

进程收到的信号可以来自于其他进程。但不是所有的进程都可以向其他任意一个进程发送信号，只有具有root权限的super user才可以这么做，对于普通user的进程，只能向属于同一user的进程发送信号，而用户对于内核线程发送的信号内核线程是不会响应的

在终端输入 kill -l 即可查看到所有的信号类型，一共 64 个。不难发现前 1-31 号信号有各自的缩写名字，34-64 号则使用 SIGRTMIN+x 和 SIGRTMAX-x 为代号。

$ kill -l
 1) SIGHUP       2) SIGINT       3) SIGQUIT      4) SIGILL       5) SIGTRAP
 2) SIGABRT      7) SIGBUS       8) SIGFPE       9) SIGKILL     10) SIGUSR1
1)  SIGSEGV     12) SIGUSR2     13) SIGPIPE     14) SIGALRM     15) SIGTERM
2)  SIGSTKFLT   17) SIGCHLD     18) SIGCONT     19) SIGSTOP     20) SIGTSTP
3)  SIGTTIN     22) SIGTTOU     23) SIGURG      24) SIGXCPU     25) SIGXFSZ
4)  SIGVTALRM   27) SIGPROF     28) SIGWINCH    29) SIGIO       30) SIGPWR
5)  SIGSYS      34) SIGRTMIN    35) SIGRTMIN+1  36) SIGRTMIN+2  37) SIGRTMIN+3
6)  SIGRTMIN+4  39) SIGRTMIN+5  40) SIGRTMIN+6  41) SIGRTMIN+7  42) SIGRTMIN+8
7)  SIGRTMIN+9  44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
8)  SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
9)  SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9  56) SIGRTMAX-8  57) SIGRTMAX-7
10) SIGRTMAX-6  59) SIGRTMAX-5  60) SIGRTMAX-4  61) SIGRTMAX-3  62) SIGRTMAX-2
11) SIGRTMAX-1  64) SIGRTMAX

最初设计时 UNIX系统只有1-31总共31个信号，这些信号每个都有特殊的含义和特定的用法，是 UNIX 最早期规定的标准信号。这些标准信号的实现有一个特点，它们是用bit flag实现的。这就会导致当一个信号还在待决的时候，又来了一个同样的信号，再次设置bit位是没有意义的，所以就会丢失再次收到的信号，因此 1-31 号信号也被称为不可靠信号

为了解决这个问题，后来POSIX规定增加32-64这33个信号作为实时信号(RT的由来)，并规定实时信号不能丢失，要用队列来实现。这样后面再次到来的信号不会被丢弃而是直接放入队列等待依次处理。因此 32-64 的信号也被称为可靠信号

上表记录了所有标准信号的含义。其中部分信号比较常见，比如中断程序的 SIGINT，强制杀死程序的 SIGKILL，暂停进程的 SIGTSTP 和继续进程的 SIGCONT。除此之外还有一些不那么常见但是很有意思的 signal

• 0: 0号信号并不存在，实际上他的作用是判断一个进程是否存在，因为发送信号0并不会真的投递给进程或者线程。检测流程会检测发送者是否有权限发送、进程是否存在，如果遇到问题就返回错误值。所以发送信号0可以用作检测进程是否存在的方法。

• SIGSEGV: 无须多言，访问无效地址触发的 segmentation fault 的信号

• SIGALRM: 如果我希望设定一个计时器 1s 之后提醒我一下，那么我可以使用 alarm(1)，实际上他就是开启了一个定时器，并在 1s 之后发送一个 SIGALRM 信号。如果我希望每秒钟都收到信号则可以使用 setitimer，下面是一个简单的例子，每隔1s打印一下。比较适合做一些即时输出的统计。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <signal.h>
  #include <sys/time.h>
  
  void handle_alarm(int sig) {
      printf("SIGALRM received: Process scheduled\n");
  }
  
  int main() {
      signal(SIGALRM, handle_alarm);
      // 设置定时器，每秒触发一次 SIGALRM 信号
      struct itimerval timer;
      timer.it_value.tv_sec = 1;   // 初始延迟 1 秒
      timer.it_value.tv_usec = 0;
      timer.it_interval.tv_sec = 1;  // 定时器每秒触发一次
      timer.it_interval.tv_usec = 0;
      if (setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL) == -1) {
          perror("setitimer failed");
          exit(1);
      }
      printf("SIGALRM will trigger every 1 second...\n");
      while (1) {
          sleep(1);
      }
      return 0;
  }

  当然，如果想实现同样的功能也可以创建一个线程，然后运行后sleep(1)，效果相同

• SIGWINCH: 有没有想过类似 vim/man/less 等终端显示的软件是如何做到宽度自适应的？是的，当你调整终端窗口时会向前台进程发送 SIGWINCH 信号。你可以轻松的捕获该信号并根据长宽重新绘制，试一下吧

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <signal.h>
  #include <sys/ioctl.h>
  #include <termios.h>
  
  void handle_winch(int sig) {
      struct winsize ws;
      if (ioctl(STDOUT_FILENO, TIOCGWINSZ, &ws) == -1) {
          perror("ioctl");
          return;
      }
      printf("\nWindow size changed: %d rows, %d columns\n", ws.ws_row, ws.ws_col);
  }
  
  int main() {
      if (signal(SIGWINCH, handle_winch) == SIG_ERR) {
          perror("Unable to catch SIGWINCH");
          exit(1);
      }
      printf("Press Ctrl+C to exit. Resize the terminal window to trigger SIGWINCH...\n");
      while (1) {
          sleep(1);
      }
      return 0;
  }

信号属性

标准信号都有默认的处理方式，也就是说，如果目标进程不注册某个信号的处理函数，那么当它收到这个信号后，就会执行信号默认的操作。这些标准信号有三个属性，是否可阻塞，是否可忽略，是否可捕获

• 阻塞，指暂时屏蔽一个信号，即当我在处理这个信号的时候，我希望暂时不去处理某些信号。当然这种屏蔽是暂时的，当阻塞行为结束依然需要响应这些被阻塞了的信号。

• 忽略，指不去响应这些信号，阻塞是暂时不处理，而忽略其实也是一种处理，相当于是空处理

• 捕获，我们可以通过一些接口来设置信号处理函数handler来处理信号，这个行为叫做捕获

关于某个信号是否可阻塞/忽略/捕获可以参考下图

CSAPP ShellLab 中会要求实现一个简单的 shell，其中就包含了对信号的处理操作，感兴趣的读者可以尝试完成一下

参考

• 深入理解Linux信号机制

• Stop Killing Processes! Make Ctrl+C Meow Instead… (with Signals)

• Linux中的信号处理机制 [一]

• Linux中的信号处理机制 [二]

• Linux中的信号处理机制 [三]

• Linux中的信号处理机制 [四]