在Linux操作系统中，信号机制是进程间通信（IPC）的核心组成部分。信号是内核向进程发送的一种异步通知，通常用于通知进程某些事件的发生，比如用户请求终止进程、硬件中断或定时器到期等。理解信号的管理与捕获机制，对于高效开发和系统管理非常重要。
一、信号的基本概念
信号（Signal） 是由内核或其他进程发送的通知，旨在告知接收进程某个事件的发生。信号通常是一种异步通知，即接收信号的进程并不会在发送信号时知道该信号的发生。Linux信号有两类：标准信号 和 用户自定义信号。
常见信号：
SIGINT（中断信号）：通常由用户通过Ctrl+C发送，要求进程终止。SIGTERM（终止信号）：请求进程优雅退出。SIGKILL（强制终止信号）：强制结束进程，无法捕获或忽略。SIGSEGV（段错误）：当进程访问非法内存时，内核发出的信号。SIGALRM（定时器到期信号）：由定时器超时触发。
二、信号管理：内核如何处理信号
1. 信号的发送与接收机制
信号的发送通常由进程或内核发起。进程可以使用 kill 系统调用向其他进程发送信号；内核则在需要时发送信号（如硬件中断、超时等）。信号的接收由目标进程通过内核管理的信号队列来处理。
- 发送信号： 进程可以通过
kill(pid, signal)函数发送信号给指定的进程。这里，pid是目标进程的进程ID，signal是信号的类型。 - 接收信号： 进程接收到信号后，会根据信号类型做出响应。如果进程没有自定义处理机制，系统会执行默认操作。
2. 信号的阻塞与屏蔽
每个进程都有一个信号掩码，掩码中的信号会被阻塞，无法立即处理。进程可以通过 sigprocmask 系统调用修改信号掩码，从而屏蔽或解除阻塞信号。
阻塞信号的作用：
- 在处理关键操作时，避免中断影响。
- 防止在信号处理过程中递归调用信号处理程序。
3. 信号的处理与默认动作
当进程收到信号时，系统会根据信号类型执行默认动作。默认动作包括：
- 终止进程： 对于
SIGKILL和SIGTERM等信号，系统默认终止进程。 - 忽略信号： 对于某些信号，进程可以选择忽略。
- 捕获信号： 进程可以设定自定义信号处理函数，使用
signal()或sigaction()函数来捕获和处理特定信号。
三、信号捕获机制：自定义信号处理
进程可以通过设定信号处理程序来捕获信号并执行自定义操作。捕获信号的机制通过 signal() 或更高级的 sigaction() 系统调用实现。
1. 使用 signal() 函数
signal() 函数允许程序定义一个信号处理函数来处理某些信号。此函数的语法如下：
void (*signal(int sig, void (*handler)(int)))(int);sig：信号类型，如SIGINT、SIGTERM等。handler：一个指向信号处理函数的指针。当信号发生时，系统会调用该函数。
例如，捕获 SIGINT（Ctrl+C）信号的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig) {
printf("Received SIGINT (Ctrl+C)\n");
}
int main() {
signal(SIGINT, handler);
while(1);
return 0;
}2. 使用 sigaction() 函数
sigaction() 是一个更灵活、更强大的信号处理函数。它提供了更精细的控制，例如可以指定信号是否被阻塞、信号处理时是否丢弃数据等。
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags = 0;
sigaction(SIGINT, &sa, NULL);通过 sigaction()，你可以更精细地控制信号行为，并能够在信号处理过程中采取额外的动作。
四、信号的高级特性
1. 信号的排队与优先级
Linux内核通过 信号队列 管理信号的排队，确保进程能够按顺序处理信号。如果多个信号同时到达，内核会按照特定顺序进行处理。
2. 信号的传递与继承
在Linux中，当父进程接收到信号时，子进程并不会自动接收到该信号，除非父进程显式地传递信号给子进程。因此，进程间信号的传递是显式的。
3. 异常处理
如果进程在处理信号时遇到错误（例如访问无效内存），内核会向进程发送一个 SIGSEGV 信号，通知进程发生了段错误。此时，进程通常会被终止。
五、总结与应用
Linux信号机制是一个非常灵活且复杂的系统，它能够让进程在多任务环境下有效地进行通信、控制进程行为，并且能够灵活地响应各种系统事件。理解信号的管理和捕获机制，有助于开发高效且可靠的系统程序。
信号管理机制核心总结：
- 信号的发送与接收：通过系统调用发送信号，内核负责传递信号到目标进程。
- 信号的阻塞与掩码：进程可以选择屏蔽某些信号，避免在关键操作时中断。
- 信号处理：进程可以通过自定义信号处理程序来捕获和响应信号。
- 信号排队与优先级：信号按照特定顺序和优先级排队处理。
通过灵活运用信号处理机制，开发者能够更好地控制进程的行为，响应各种系统事件。