Linux 進程信號學習筆記：從概念到實操

一、Linux 信號基本概念

1.1 生活角度理解信號

我們可以把進程比作等待快遞的人，信號就像快遞：

  • 識別信號：就像我們知道快遞來了該?怎么處理，進程對信號的識別是內核程序員預先編寫的內置特性，即使信號沒產生，進程也知道該如何處理。
  • 信號延遲處理：比如正在打游戲時收到快遞通知，會等游戲結束再去取，進程收到信號后，若在執行優先級更高的任務，會在合適的時候處理信號。
  • 信號記錄：從收到快遞通知到取到快遞的這段時間，我們會記住有快遞要取，進程收到信號后，在未處理前也會暫時記錄信號。
  • 信號處理方式：處理快遞有打開使用（默認動作）、送給他人（自定義動作）、扔在一邊（忽略）三種方式，進程處理信號也有默認、自定義、忽略三種方式，自定義處理信號也叫信號捕捉。

1.2 技術角度理解信號

信號是進程之間事件異步通知的一種方式，屬于軟中斷。比如在 Shell 下啟動一個前臺進程，當我們按下Ctrl+C，會產生一個硬件中斷，被操作系統獲取后解釋成SIGINT（2 號信號）發送給前臺進程，前臺進程收到信號后會退出，這就是信號的實際應用。

1.3 查看信號

在 Linux 系統中，我們可以通過相關命令查看信號，每個信號都有對應的編號和宏定義名稱，這些宏定義可在signal.h中找到。例如：

  • SIGINT（2 號信號）：來自鍵盤的中斷信號。
  • SIGQUIT（3 號信號）：來自鍵盤的退出信號，會生成 core dump 文件。
  • SIGKILL（9 號信號）：殺死進程的信號，無法被捕捉和忽略。

我們也可以通過man 7 signal命令查看每個信號的產生條件和默認處理動作，部分常見信號如下表：

SignalStandardActionComment
SIGABRTP1990Core來自 abort (3) 的中止信號
SIGALRMP1990Term來自 alarm (2) 的定時器信號
SIGBUSP2001Core總線錯誤（不良內存訪問）
SIGCHLDP1990Ign子進程停止或終止
SIGINTP1990Term來自鍵盤的中斷

二、信號產生的一般方式

2.1 通過終端按鍵產生信號

  • Ctrl+C（SIGINT，2 號信號）：發送中斷信號，默認終止前臺進程。
    • 示例：編寫一個簡單的循環程序，運行后按下Ctrl+C，進程會退出。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
int main() {while (true) {std::cout << "I am a process, I am waiting signal!" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

編譯運行：g++ sig.cc -o sig && ./sig，按下Ctrl+C，進程終止

  • Ctrl+\（SIGQUIT，3 號信號）：發送退出信號，默認終止進程并生成 core dump 文件，用于事后調試。
    • 示例：修改上述程序，捕捉SIGQUIT信號。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void handler(int signumber) {std::cout << "我是: " << getpid() << ", 我獲得了一個信號: " << signumber << std::endl;
}
int main() {std::cout << "我是進程: " << getpid() << std::endl;signal(SIGQUIT/*3*/, handler);while (true) {std::cout << "I am a process, I am waiting signal!" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

編譯運行后，按下Ctrl+\，會輸出信號編號，若注釋掉信號捕捉代碼，按下Ctrl+\，進程會退出并生成 core dump 文件。

  • Ctrl+Z（SIGTSTP，20 號信號）：發送停止信號，默認將當前前臺進程掛起到后臺。
    • 示例：運行上述未捕捉SIGTSTP信號的循環程序，按下Ctrl+Z，進程會被掛起，使用jobs命令可查看后臺進程，使用fg命令可將后臺進程調回前臺。

2.1.2? 實操：使用signal函數自定義SIGINT信號的處理方式

以下是一個小實驗，大家可以練下手加深理解

signal?函數用于設置信號的處理方式，它的原型是：

#include <signal.h>
void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);
  • signum：要設置處理方式的信號編號，比如?SIGINT。
  • handler：指向信號處理函數的指針。信號處理函數的原型是?void handler(int signum)，其中?signum?是接收到的信號編號。

代碼解釋

  • 首先，我們包含了必要的頭文件：stdio.h（用于輸入輸出）、signal.h（用于信號相關操作）、unistd.h（用于?sleep?函數）。

  • 定義了自定義的信號處理函數?sigcb，它接收一個?int?類型的參數?signum（即接收到的信號編號），在函數內部打印出接收到的信號值。

  • 在?main?函數中，使用?signal(SIGINT, sigcb)?來設置?SIGINT?信號的處理函數為?sigcb。這樣，當進程接收到?SIGINT?信號時，就會調用?sigcb?函數而不是默認的終止進程操作。

  • 然后打印提示信息，接著通過一個無限循環?while (1)?讓程序保持運行，sleep(1)?是為了避免程序過度占用 CPU。

編譯與運行

  1. 編譯代碼：使用?gcc?編譯器，在終端中輸入命令?gcc -o sig_demo sig_demo.c（假設代碼文件名為?sig_demo.c）。

  2. 運行程序：在終端中輸入?./sig_demo，程序會開始運行并打印提示信息。

  3. 測試信號：按下?Ctrl + C，此時會觸發?SIGINT?信號，程序會調用?sigcb?函數，打印出類似?接收到信號，信號值為：2（SIGINT?的值通常為 2）的信息，而不是終止程序。

執行結果截圖說明

  • 編譯運行后，終端會顯示 “程序正在運行，按下ctrl+c發送SIGINT信號”。

  • 當按下?Ctrl + C?時，終端會打印 “接收到信號為：2”，然后程序繼續運行（因為我們的處理函數沒有終止進程，而是讓程序繼續在循環中運行）。如果多次按下?Ctrl + C，會多次打印該信息。

SIGINT（Ctrl+C）被我們自定義處理了，但系統還有其他信號可以終止進程，比如?SIGQUIT（通常由?Ctrl+\?觸發）。

通過這個例子，你可以清楚地看到如何使用?signal?函數來自定義信號的處理方式，以及?SIGINT?信號的觸發和處理過程。

2.1.3? 實操2：使用sigaction函數自定義SIGINT信號的處理方式

sigaction?函數是比?signal?函數更強大、更可移植的信號處理接口。它可以更精細地控制信號的處理行為。sigaction?函數的原型如下：

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
  • signum：要設置處理方式的信號編號，比如?SIGINT。
  • act：指向?struct sigaction?結構體的指針，該結構體包含了新的信號處理方式等信息。
  • oldact：指向?struct sigaction?結構體的指針，用于保存原來的信號處理方式（可以為?NULL，表示不保存）。

struct sigaction?結構體的定義大致如下：

struct sigaction {void (*sa_handler)(int);sigset_t sa_mask;int sa_flags;void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
};
  • sa_handler：指向信號處理函數的指針，和?signal?函數中的處理函數類似，處理函數原型為?void handler(int signum)。
  • sa_mask：指定在信號處理函數執行期間，需要阻塞的信號集合。
  • sa_flags：用于設置信號處理的一些標志，比如?SA_SIGINFO?等。
  • sa_sigaction：當?sa_flags?中設置了?SA_SIGINFO?標志時，使用該函數指針所指向的函數來處理信號，這個函數可以獲取更多關于信號的信息，原型為?void handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)。

代碼實現

我們編寫一個 C 程序，使用?sigaction?函數來自定義?SIGINT?信號的處理方式：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 自定義的信號處理函數
void sigcb(int signum) {printf("接收到信號，信號值為：%d\n", signum);
}int main() {struct sigaction act;// 設置信號處理函數為 sigcbact.sa_handler = sigcb;// 清空 sa_mask，即處理信號期間不阻塞其他信號sigemptyset(&act.sa_mask);// 設置 sa_flags 為 0，使用默認的標志act.sa_flags = 0;// 使用 sigaction 函數設置 SIGINT 信號的處理方式sigaction(SIGINT, &act, NULL);printf("程序正在運行，按下 Ctrl + C 發送 SIGINT 信號\n");// 讓程序保持運行，以便我們可以發送信號while (1) {sleep(1);}return 0;
}

代碼解釋

  • 首先包含必要的頭文件：stdio.h（輸入輸出）、signal.h（信號相關操作）、unistd.h（sleep?函數）。

  • 定義自定義的信號處理函數?sigcb，功能是打印接收到的信號值。

  • 在?main?函數中，定義?struct sigaction?類型的變量?act。

  • 設置?act?的?sa_handler?成員為我們自定義的處理函數?sigcb。

  • 使用?sigemptyset?函數清空?sa_mask?成員，這樣在處理?SIGINT?信號期間，不會阻塞其他信號。

  • 將?sa_flags?成員設置為?0，使用默認的標志。

  • 調用?sigaction?函數，將?SIGINT?信號的處理方式設置為?act?所指定的方式，第三個參數為?NULL，表示不保存原來的信號處理方式。

  • 打印提示信息后，通過無限循環讓程序保持運行，sleep(1)?避免程序過度占用 CPU。

編譯與運行

  1. 編譯代碼：使用?gcc?編譯器，在終端中輸入命令?gcc -o sigaction_demo sigaction_demo.c（假設代碼文件名為?sigaction_demo.c）。

  2. 運行程序：在終端中輸入?./sigaction_demo，程序開始運行并打印提示信息。

  3. 測試信號：按下?Ctrl + C，觸發?SIGINT?信號，程序會調用?sigcb?函數，打印出類似?接收到信號，信號值為：2（SIGINT?的值通常為 2）的信息，而不是終止程序。

執行結果截圖說明

  • 編譯運行后，終端會顯示 “程序正在運行，按下 Ctrl + C 發送 SIGINT 信號”。

  • 當按下?Ctrl + C?時，終端會打印 “接收到信號，信號值為：2”，然后程序繼續運行（因為我們的處理函數沒有終止進程，程序在循環中繼續運行）。多次按下?Ctrl + C，會多次打印該信息。

通過這個例子，你可以掌握?sigaction?函數的使用方法，以及如何更精細地控制信號的處理方式。

2.2 調用系統命令向進程發信號

我們可以使用kill命令向指定進程發送信號，例如：

  1. 后臺運行一個死循環程序：./sig &（sig為上述編譯生成的可執行文件）。
  2. 查看進程 ID：ps ajx | grep sig，獲取進程的 PID。
  3. 向進程發送SIGSEGV（11 號信號，段錯誤信號）：kill -SIGSEGV PID（或kill -11 PID），進程會因段錯誤終止。

2.3 使用函數產生信號

2.3.1 kill 函數

kill函數可以給一個指定的進程發送指定的信號，函數原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
  • 參數說明：
    • pid：目標進程的 PID。
    • sig：要發送的信號編號。
  • 返回值：成功返回 0，失敗返回 - 1，并設置errno。
  • 示例：實現自己的 kill 命令
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
// mykill -signumber pid
int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 3) {std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " -signumber pid" << std::endl;return 1;}int number = std::stoi(argv[1] + 1); // 去掉“-”pid_t pid = std::stoi(argv[2]);int n = kill(pid, number);return n;
}

編譯生成mykill后，可像kill命令一樣使用，例如./mykill -2 PID，向指定 PID 的進程發送 2 號信號。

2.3.2 raise 函數

raise函數可以給當前進程發送指定的信號（自己給自己發信號），函數原型如下：

#include <signal.h>
int raise(int sig);
  • 參數說明：sig：要發送的信號編號。
  • 返回值：成功返回 0，失敗返回非 0。
  • 示例
    #include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void handler(int signumber) {// 整個代碼就只有這一處打印std::cout << "獲取了一個信號: " << signumber << std::endl;
}
int main() {signal(2, handler); // 先對2號信號進行捕捉// 每隔1S，自己給自己發送2號信號while (true) {sleep(1);raise(2);}return 0;
}

編譯運行后，每隔 1 秒會輸出 “獲取了一個信號: 2”。

2.3.3 abort 函數

abort函數使當前進程接收到信號而異常終止，函數原型如下：

#include <stdlib.h>
void abort(void);
  • 說明：abort函數總是會成功，沒有返回值，它會給當前進程發送SIGABRT（6 號信號）。
  • 示例
    #include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
void handler(int signumber) {// 整個代碼就只有這一處打印std::cout << "獲取了一個信號: " << signumber << std::endl;
}
int main() {signal(SIGABRT, handler);while (true) {sleep(1);abort();}return 0;
}

編譯運行后，會輸出 “獲取了一個信號: 6”，然后進程異常終止，即使捕捉了SIGABRT信號，進程也會退出。

2.4 由軟件條件產生信號

以alarm函數和SIGALRM（14 號信號）為例，alarm函數可以設定一個鬧鐘，告訴內核在指定秒數后給當前進程發SIGALRM信號，該信號的默認處理動作是終止當前進程，函數原型如下：

  • 參數說明：seconds：鬧鐘時間，單位為秒。若seconds為 0，表示取消以前設定的鬧鐘。
  • 返回值：返回 0 或者以前設定的鬧鐘時間還余下的秒數。
2.4.1 基本 alarm 驗證 - 體會 IO 效率問題
  • IO 多的情況
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int main() {int count = 0;alarm(1);while (true) {std::cout << "count : " << count << std::endl;count++;}return 0;
}

編譯運行后，1 秒內輸出的計數較少，因為std::cout是 IO 操作，效率較低。

  • IO 少的情況
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int count = 0;
void handler(int signumber) {std::cout << "count : " << count << std::endl;exit(0);
}
int main() {signal(SIGALRM, handler);alarm(1);while (true) {count++;}return 0;
}

編譯運行后，1 秒內輸出的計數會非常大，因為僅進行變量自增操作，IO 操作少，效率高。

2.4.2 設置重復鬧鐘
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int gcount = 0;
void handler(int signo) {std::cout << "gcount : " << gcount << std::endl;gcount++;int n = alarm(1); // 重設鬧鐘，會返回上一次鬧鐘的剩余時間std::cout << "剩余時間 : " << n << std::endl;
}
int main() {std::cout << "我的進程pid是: " << getpid() << std::endl;alarm(1); // 一次性的鬧鐘，超時alarm會自動被取消signal(SIGALRM, handler);while (true) {pause(); // 等待信號std::cout << "我醒來了..." << std::endl;}return 0;
}

編譯運行后，每隔 1 秒會輸出計數和剩余時間，實現了重復鬧鐘的功能。pause函數會使調用進程（或線程）睡眠，直到收到一個終止進程的信號或一個導致調用信號捕捉函數的信號。

2.5 硬件異常產生信號

硬件異常被硬件檢測到并通知內核，然后內核向當前進程發送適當的信號。例如：

  • 除零異常：當進程執行除以 0 的指令時，CPU 的運算單元會產生異常，內核將這個異常解釋為SIGFPE（8 號信號）發送給進程。
  • 示例
    #include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig) {printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main() {signal(SIGFPE, handler); // 8) SIGFPEsleep(1);int a = 10;a /= 0;while (1);return 0;
}

編譯運行后，會不斷輸出 “catch a sig : 8”，因為除零異常一直存在，內核會持續發送SIGFPE信號。

  • 非法內存訪問：當進程訪問了非法內存地址，MMU（內存管理單元）會產生異常，內核將這個異常解釋為SIGSEGV（11 號信號）發送給進程。
    • 示例
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig) {printf("catch a sig : %d\n", sig);
}
int main() {signal(SIGSEGV, handler);sleep(1);int *p = NULL;*p = 100;while (1);return 0;
}

編譯運行后，會不斷輸出 “catch a sig : 11”，因為非法內存訪問的異常一直存在。

三、信號遞達和阻塞的概念與原理

3.1 相關概念

  • 信號遞達（Delivery）：實際執行信號的處理動作。?
  • 信號未決（Pending）：信號從產生到遞達之間的狀態。
  • 信號阻塞（Block）：進程可以選擇阻塞某個信號，被阻塞的信號產生時將保持在未決狀態，直到進程解除對此信號的阻塞，才執行遞達的動作。

注意：阻塞和忽略是不同的，只要信號被阻塞就不會遞達，而忽略是在遞達之后可選的一種處理動作。

3.2 在內核中的表示

在進程控制塊（task_struct）中，有三個與信號相關的重要部分：

  • block：信號屏蔽字，用sigset_t類型表示，每個 bit 代表對應信號是否被阻塞。
  • pending：未決信號集，同樣用sigset_t類型表示，每個 bit 代表對應信號是否處于未決狀態。
  • handler：信號處理動作數組，每個元素是一個函數指針，指向該信號的處理函數，若為SIG_DFL表示默認處理動作，SIG_IGN表示忽略該信號。

例如，對于SIGINT（2 號信號），若block中對應的 bit 為 1，表示該信號被阻塞；若pending中對應的 bit 為 1，表示該信號處于未決狀態；handler中對應的函數指針指向該信號的處理函數。

3.3 信號集操作函數

sigset_t類型用于表示信號集，我們不能直接操作sigset_t變量的內部數據，需要使用專門的函數：

3.3.1 初始化和修改信號集
  • sigemptyset：初始化信號集，使其中所有信號的對應 bit 清零，表示該信號集不包含任何有效信號。

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);

sigfillset：初始化信號集，使其中所有信號的對應 bit 置位，表示該信號集包含系統支持的所有信號。

#include <signal.h>
int sigfillset(sigset_t *set);

sigaddset：在信號集中添加某種有效信號。

#include <signal.h>
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);

sigdelset：在信號集中刪除某種有效信號。

#include <signal.h>
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
  • 返回值：以上四個函數成功返回 0，出錯返回 - 1。
3.3.2 判斷信號是否在信號集中

sigismember：判斷一個信號集的有效信號中是否包含某種信號，若包含則返回 1，不包含則返回 0，出錯返回 - 1。

#include <signal.h>
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);
3.3.3 讀取或更改進程的信號屏蔽字

sigprocmask：讀取或更改進程的信號屏蔽字（阻塞信號集）。

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);
  • 參數說明：
    • how：指示如何更改信號屏蔽字，取值如下：
      • SIG_BLOCK：set包含了我們希望添加到當前信號屏蔽字的信號，相當于mask = mask | set。
      • SIG_UNBLOCK：set包含了我們希望從當前信號屏蔽字中解除阻塞的信號，相當于mask = mask & ~set。
      • SIG_SETMASK：設置當前信號屏蔽字為set所指向的值，相當于mask = set。
    • set：若非空指針，則根據how更改進程的信號屏蔽字；若為空指針，則不更改信號屏蔽字。
    • oset：若非空指針，則讀取進程的當前信號屏蔽字通過oset參數傳出；若為空指針，則不讀取信號

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YOLO 目標檢測：數據集構建（LabelImg 實操）、評估指標（mAP/IOU）、 NMS 后處理

YOLO 目標檢測：數據集構建（LabelImg 實操）、評估指標（mAP/IOU）、 NMS 后處理

文章目錄基本知識介紹1.視覺處理三大任務2.訓練、驗證、測試、推理3.數據集3.1 數據集格式3.2 數據集標注4.上游任務和下游任務YOLO指標1.真實框&#xff08;Ground Truth Box&#xff09;與邊界框&#xff08;Bounding Box&#xff09;2.交并比&#xff08;IOU&#xff09;3.置…
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進程狀態 —— Linux內核（Kernel）

進程狀態 —— Linux內核（Kernel）

&#x1f381;個人主頁&#xff1a;工藤新一 &#x1f50d;系列專欄&#xff1a;C面向對象&#xff08;類和對象篇&#xff09; &#x1f31f;心中的天空之城&#xff0c;終會照亮我前方的路 &#x1f389;歡迎大家點贊&#x1f44d;評論&#x1f4dd;收藏?文章 文章目錄進…
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計算機視覺與深度學習 ｜ 低照度圖像處理算法綜述：發展、技術與趨勢

計算機視覺與深度學習 ｜ 低照度圖像處理算法綜述：發展、技術與趨勢

文章目錄 一、發展歷程：從傳統模型到智能融合 （一）傳統模型構建階段（1970s-2016） （二）深度學習應用階段（2017-2020） （三）硬件-算法協同階段（2021至今） 二、技術分類與性能對比 （一）傳統方法體系 （二）深度學習方法 1. 監督學習模型 2. 無監督/自監督方法 3. 混…
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責任鏈模式實踐-開放銀行數據保護及合規

責任鏈模式實踐-開放銀行數據保護及合規

責任鏈模式介紹什么是責任鏈模責任鏈模式是一種行為設計模式&#xff0c; 允許你將請求沿著處理者鏈進行發送。 收到請求后&#xff0c; 每個處理者均可對請求進行處理&#xff0c; 或將其傳遞給鏈上的下個處理者。責任鏈模式結構偽代碼基于責任鏈的開放銀行數據保護及合規實踐…
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npm install --global @dcloudio/uni-cli 時安裝失敗

npm install --global @dcloudio/uni-cli 時安裝失敗

這個日志顯示在執行 npm install --global dcloudio/uni-cli 時安裝失敗&#xff0c;核心錯誤是 UNABLE_TO_GET_GET_ISSUER_CERT_LOCALLY&#xff08;無法獲取本地頒發者證書&#xff09;&#xff0c;屬于 HTTPS 證書驗證失敗 問題。錯誤原因npm 訪問官方 registry&#xff08;…
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吱吱企業通訊軟件可私有化部署，構建安全可控的通訊辦公平臺

吱吱企業通訊軟件可私有化部署，構建安全可控的通訊辦公平臺

在當今激烈的市場競爭環境中&#xff0c;企業通訊已成為制勝的關鍵因素。吱吱作為一款專為企業管理設計的IM即時辦公通訊軟件&#xff0c;提供了高度安全的通訊辦公環境&#xff0c;確保信息在內部流通的安全性與高效性&#xff0c;為企業數字化轉型奠定了堅實的基礎。 一、私有…
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暄桐：唯有認真思考過死亡，才足以應對日常

暄桐：唯有認真思考過死亡，才足以應對日常

暄桐是一間傳統美學教育教室&#xff0c;創辦于2011年&#xff0c;林曦是創辦人和授課老師&#xff0c;教授以書法為主的傳統文化和技藝&#xff0c;皆在以書法為起點&#xff0c;親近中國傳統之美&#xff0c;以實踐和所得&#xff0c;滋養當下生活。初聽莊子在妻子離世后“鼓…
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