概述

Linux信號機制是進程間通信的一種方式，用于在不同進程之間傳遞信息，它通過向目標進程發送一個特定的信號，來觸發目標進程執行相應的處理操作。信號本質上是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，可以認為是用戶態下的中斷機制，它為用戶進程提供了一種處理異步事件的方法；用戶進程可以注冊自定義的信號處理函數，在進程響應外部信號時，會自動調用回調進行處理。

信號類型

Linux定義了64種信號類型，每個信號都有唯一的編號進行標識。在系統中，通過kill -l命令可以查看所有的信號類型。

可靠信號與不可靠信號

Linux信號可以分為不可靠信號和可靠信號。

• 不可靠信號：又稱非實時信號，是指在信號傳遞過程中可能丟失或產生不可預測行為的信號，這意味著當一個進程接收到該信號時，無法確保該信號一定會被進程處理。1-31號信號為不可靠信號。
• 可靠信號：又稱實時信號，是保證傳遞和處理的信號。當一個進程接收到可靠信號時，系統會確保該信號不會丟失，并且會等待進程處理完該信號后再繼續執行其他操作，Linux使用隊列來保存待處理的信號，保證它們按照接收的順序被進程處理。34-64號信號為可靠信號。

在日常開發及維護時，見到的基本是不可靠信號：

Fatal信號與Non Fatal信號

對于每一個信號，系統都有默認的處理行為，根據信號的默認處理行為，可以將信號分為 Fatal（致命）信號和 Non-Fatal（非致命）信號。

• Fatal信號：Fatal 信號是指那些默認處理行為會導致進程終止的信號。當進程收到這類信號且沒有注冊自定義處理函數時，進程會被終止。
• Non Fatal信號：Non-Fatal 信號是指那些默認處理行為不會導致進程終止的信號。這些信號通常用于控制進程狀態或通知特定事件。

不可捕獲/忽略信號

在Linux系統中，用戶通常可以捕獲信號，并自定義處理信號處理行為；但有兩個信號比較特殊，它們既不能忽略，也不能捕獲，只能執行默認處理：

• SIGKILL (9)：強制終止進程
• SIGSTOP (19)：暫停進程

信號工作機制

與中斷的實時響應（CPU執行完一條指令后，就會響應中斷請求）不同，進程對信號的處理有一定的滯后性。原因在于，當應用進程接收到其它進程發送的信號時，不會立即做出響應，只有等當前進程陷入到內核空間時，才會進行信號檢測。Linux系統中，應用程序處理信號的流程示意如下：

可以看到，系統對信號的檢測與響應總是發生在內核態，只有當前進程由于系統調用、中斷或異常而進入系統空間以后，從系統空間返回到用戶空間的前夕，內核才會進行信號的處理。

檢測到信號后，內核在用戶棧創建新層，將返回地址指向信號處理函數，確保函數在用戶態執行，避免權限泄露；信號處理程序執行完成后，會執行sigreturn系統調用再次切換到內核態，再由恢復原系統調用或代碼執行點。

信號處理方式

在進程接收到一個信號時，可以告訴內核按照下列三種方式之一進行處理：

• 忽略信號：對信號不做任何處理（但 SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被忽略）；
• 捕獲信號：注冊自定義的信號處理函數；
• 默認處理：執行系統定義的默認動作。Linux信號的默認處理行為可以分為以下幾類：
  • Terminate：終止進程；
  • Coredump：終止進程并生成核心轉儲文件；
  • Ignore：忽略信號；
  • Stop：暫停進程；
  • Continue：繼續運行進程。

信號嵌套處理

默認情況下，信號處理函數運行期間，如果再次接收到相同信號，信號會被自動阻塞，直到當前處理函數執行完畢。

信號使用

在日常開發或維護過程中，所涉及到信號的使用方式，主要是如何發送信號以及自定義程序的信號的處理行為。

信號發送

Linux系統使用kill系統調用向指定進程發送信號，原型定義如下：

 #include <sgnal.h> 
int kill(int pid, int sign);

kill函數的pid參數根據取值有多重含義：

• pid>0：將此信號發送給進程ID為pid的進程；
• pid=0：將此信號發送給進程組ID和該進程相同的進程；
• pid<0：將此信號發送給進程組內進程ID為pid的進程；
• pid=-1：將此信號發送給系統所有的進程。

kill命令

在Linux系統中，kill命令用于向進程發送信號，以終止或控制進程。默認情況下，kill命令發送的是SIGTERM（終止信號），這通常會讓進程自行清理資源并優雅地終止。如果進程沒有響應SIGTERM，可以使用SIGKILL（殺死信號）強制終止進程。

kill [-signum] [PID]

注冊信號處理函數

Linux系統下可以通過signal或sigaction函數可以注冊信號處理函數。signal原型如下：

#include <signal.h>
void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

sigaction是 signal的增強版，提供了更精細的控制，包括：
* 自定義信號處理函數
* 設置信號屏蔽字（阻塞其他信號）
* 指定信號處理標志（如是否自動重置處理函數）

sigaction函數原型定義如下：

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

信號安全與函數可重入性

信號安全是指線程在信號處理函數當中，不管以任何方式調用你的函數如果不死鎖不修改數據，那就是信號安全的。在信號處理函數中應避免調用不可重入的函數（如 printf、malloc），否則可能導致程序崩潰。

可重入函數

一個函數或代碼段若能在被中斷后安全地再次調用（如信號處理函數中調用），則稱為可重入的。不可重入的代碼會導致數據損壞或死鎖。
可重入代碼的條件：

1. 不使用全局或靜態變量：依賴局部變量或通過參數傳遞狀態。
2. 不調用不可重入函數：如malloc()、printf()、非線程安全的庫函數。
3. 避免鎖的嵌套：信號處理函數中不應獲取鎖（可能引發死鎖）。
   

線程安全與可重入性

可重入函數是線程安全函數的一個真子集。可重入函數一定是線程安全的。盡管線程安全和可重入有時會被不正確地用作同義詞，但它們之間有清晰的技術差別。線程安全函數可能使用同步機制（如鎖）來保護共享數據，而可重入函數則完全不使用共享數據。

相關參考

• 《Unix環境高級編程》
• Linux signal 圖文詳解（一）信號簡介、信號注冊
• 干貨】linux內核信號的處理過程