Linux 信号

记录linux系统中信号的相关概念和用法

一、信号的基本概念

信号（Signal）是Linux系统中进程间异步通信的核心机制，用于通知进程发生特定事件（如用户输入、错误、进程状态变化等）。进程收到信号后会中断当前执行流程，转而去执行预设的处理逻辑。

1. 信号本质与特性

异步性：信号可在任意时刻触发，不受进程执行流程控制。
不可靠性：标准信号（1-31）不支持排队，多次发送同一信号可能被合并；实时信号（34-64，SIGRTMIN~SIGRTMAX）支持排队和携带数据，更可靠。
不可屏蔽性：SIGKILL（9）和SIGSTOP（19）无法被捕获、忽略或修改处理方式，用于强制终止/暂停进程。

2. 信号来源

硬件触发：如键盘输入（Ctrl+C产生SIGINT）、段错误（SIGSEGV）、算术错误（SIGFPE）。
软件触发：如kill命令、kill()函数发送信号，子进程终止（SIGCHLD），定时器到期（SIGALRM），向关闭的套接字写数据（SIGPIPE）等。

二、信号处理核心函数与结构体

Linux提供了一系列信号处理函数，其中sigaction是POSIX标准推荐的接口（功能最全面），配合其他函数可实现灵活的信号控制。

1. `sigaction`函数（推荐使用）

功能：设置或获取信号的处理方式（替代旧的signal()函数，支持更多控制选项）。
原型：

1 2	#include <signal.h> int sigaction(int signum, const struct sigaction* act, struct sigaction* oldact);

参数：

signum：目标信号编号（如SIGINT、SIGPIPE）。
act：非空时，指定新的信号处理配置（struct sigaction类型）。
oldact：非空时，保存之前的处理配置（用于恢复）。
返回值：成功返回0，失败返回-1（设置errno）。

2. `struct sigaction`结构体

用于描述信号的处理逻辑，定义如下：

struct sigaction {
    // 信号处理函数（二选一）
    void (*sa_handler)(int);          // 简化版：仅接收信号编号
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void*);  // 扩展版：需配合SA_SIGINFO标志
    
    sigset_t sa_mask;                 // 处理信号时阻塞的其他信号
    int sa_flags;                     // 控制信号处理行为的标志位
    void (*sa_restorer)(void);        // 已废弃（无需使用）
};

成员详解：

sa_handler：简化处理函数，参数为信号编号。可设为SIG_IGN（忽略信号）、SIG_DFL（默认行为）或自定义函数。
sa_sigaction：扩展处理函数（需sa_flags设置SA_SIGINFO），可获取信号详细信息（siginfo_t）。
sa_mask：信号集（sigset_t），表示处理当前信号时需阻塞的其他信号（避免嵌套处理）。
sa_flags：标志位（可组合）：
- SA_RESTART：被信号中断的系统调用（如read、accept）自动重启（避免EINTR错误）。
- SA_SIGINFO：使用sa_sigaction作为处理函数。
- SA_NOCLDSTOP：SIGCHLD仅在子进程终止时通知（忽略暂停事件）。

3. `siginfo_t`结构体（扩展信息载体）

当使用sa_sigaction时，用于传递信号详细信息：

typedef struct {
    int      si_signo;   // 信号编号
    int      si_code;    // 信号产生原因（如SI_USER表示用户发送）
    pid_t    si_pid;     // 发送信号的进程ID
    uid_t    si_uid;     // 发送进程的用户ID
    void*    si_addr;    // 引发信号的地址（如SIGSEGV的错误地址）
    int      si_status;  // 子进程退出状态（SIGCHLD专用）
    union sigval si_value; // 附加数据（实时信号专用）
} siginfo_t;

4. 信号集操作函数（`sigset_t`）

sigset_t是表示“信号集”的位掩码类型，需通过以下函数操作：

sigemptyset(sigset_t *set)：初始化信号集为空。
sigfillset(sigset_t *set)：初始化信号集包含所有信号。
sigaddset(sigset_t *set, int signum)：添加信号到集合。
sigdelset(sigset_t *set, int signum)：从集合移除信号。
sigismember(const sigset_t *set, int signum)：判断信号是否在集合中（返回1/0/-1）。

5. 其他核心函数

函数原型	功能	关键参数
`int sigprocmask(int how, const sigset_t set, sigset_t oldset)`	修改进程的信号掩码（全局阻塞信号）	`how`：`SIG_BLOCK`（添加阻塞）、`SIG_UNBLOCK`（解除阻塞）、`SIG_SETMASK`（替换掩码）
`int sigpending(sigset_t *set)`	获取当前进程中“已产生但未处理”的信号（pending集）	-
`int kill(pid_t pid, int sig)`	向指定进程发送信号	`pid`：目标进程ID（`pid>0`指定进程，`pid=0`同组进程）
`int raise(int sig)`	向当前进程发送信号（等价于`kill(getpid(), sig)`）	-
`int sigwait(const sigset_t set, int sig)`	同步等待信号（将异步信号转为同步处理）	需先通过`sigprocmask`阻塞目标信号
`int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value)`	向进程发送带数据的实时信号	`value`：附加数据（`sival_int`或`sival_ptr`）

6. 兼容性函数`signal()`

早期接口，功能简化但跨系统行为可能不一致：

1	void (signal(int signum, void (handler)(int)))(int);

局限性：不支持sa_mask和sa_flags，信号处理期间仅阻塞当前信号，部分系统会自动重置为默认行为。仅推荐用于简单演示，实际开发优先用sigaction。

三、常用信号详解（网络编程高频场景）

系统定义了64种信号，以下为网络编程中需重点关注的信号：

编号	信号名	触发场景	默认行为	网络编程中的意义
2	`SIGINT`	`Ctrl+C`终端中断	终止进程	需捕获以优雅关闭连接（如释放socket）
3	`SIGQUIT`	`Ctrl+\`终端退出	终止+核心转储	同上，可用于强制退出并生成调试信息
6	`SIGABRT`	调用`abort()`	终止+核心转储	检测到严重错误（如内存破坏）时触发
8	`SIGFPE`	算术错误（除零、溢出）	终止+核心转储	协议解析中的数值计算错误
10	`SIGUSR1`	用户自定义	终止	自定义事件（如重新加载配置）
12	`SIGUSR2`	用户自定义	终止	与`SIGUSR1`配合区分不同事件
13	`SIGPIPE`	向已关闭的套接字写数据	终止	必须处理（忽略或捕获），避免程序意外退出
14	`SIGALRM`	定时器到期	终止	实现网络超时（如`connect`超时控制）
17	`SIGCHLD`	子进程终止/暂停	忽略	需捕获以回收子进程（避免僵尸进程）
16	`SIGURG`	套接字收到紧急数据（OOB）	忽略	处理TCP带外数据（如紧急指针）
20	`SIGTSTP`	`Ctrl+Z`终端暂停	暂停进程	后台服务需忽略（避免意外暂停）

关键信号深度解析：

SIGPIPE（13）
当TCP连接被对方关闭后，本地仍调用write()/send()时触发。默认终止进程，网络编程中必须处理：
- 忽略信号：signal(SIGPIPE, SIG_IGN);，此时写操作返回-1并设置errno=EPIPE，便于程序捕获错误。
- 捕获信号：在处理函数中记录连接异常日志。

SIGCHLD（17）
子进程终止时，父进程需回收资源（否则子进程变为僵尸进程）。处理方式：

void handle_sigchld(int sig) {
    pid_t pid;
    // 非阻塞回收所有终止的子进程
    while ((pid = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG)) > 0) {
        // 处理子进程回收逻辑
    }
}

SIGURG（16）
套接字收到带外数据时触发，需结合socket选项SO_OOBINLINE使用，在处理函数中调用recv()读取紧急数据。

四、实践注意事项

信号处理函数的可重入性
信号处理函数可能中断任意代码，需使用可重入函数（如write、_exit、sigprocmask），避免调用不可重入函数（printf、malloc、fopen等，可能导致资源竞争）。若需输出，可用write(STDOUT_FILENO, ...)替代printf。

多线程信号处理
信号默认随机投递到任意未阻塞该信号的线程，推荐做法：

主线程通过pthread_sigmask阻塞所有信号。

创建专门的信号处理线程，用sigwait()同步处理信号（避免中断业务逻辑）：

sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, nullptr); // 阻塞SIGINT

pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, [](void* arg) {
    int sig;
    while (sigwait((sigset_t*)arg, &sig) == 0) {
        // 处理信号（如SIGINT）
    }
    return nullptr;
}, &set);

系统调用中断与重启
网络编程中的accept、recv、select等系统调用可能被信号中断，返回-1并设置errno=EINTR。解决方式：
- 设置sa_flags = SA_RESTART，使系统调用自动重启（部分调用如select不支持，需手动重试）。
- 手动判断并重试：
  1
  2
  ssize_t n;
  while ((n = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)) == -1 && errno == EINTR);
实时信号vs标准信号
- 标准信号（1~31）：适合处理无需排队的事件（如中断、终止），多次发送可能合并。
- 实时信号（34~64）：支持排队和带数据，适合需要可靠传递的场景（如多任务状态通知）。