嘿，小伙伴們！今天我要和大家聊一個Linux系統中非常有趣又重要的話題——信號機制。別擔心，雖然信號聽起來有點高深，但我會用最通俗易懂的語言，配合清晰的圖表，帶你徹底搞懂這個概念！

什么是信號？

想象一下，如果你正在專心寫代碼，突然有人拍了一下你的肩膀，這就類似于操作系統中的"信號"。信號是Linux系統中用于通知進程發生了某種事件的一種異步通信機制，就像操作系統給進程發送的"緊急短信"。

信號的本質是軟件中斷，當進程收到信號后，會暫停當前工作，轉而去處理這個信號，處理完后再回到原來的工作。這就像你接到一個緊急電話，處理完緊急事務后再回到之前的工作一樣。

為什么需要信號？

在Linux系統中，信號主要用于以下幾個場景：

1. 錯誤處理：當程序出現嚴重錯誤（如除零、非法內存訪問）時，系統會發送相應信號
2. 終止進程：用戶可以通過按下Ctrl+C發送SIGINT信號來終止前臺進程
3. 進程間通信：一個進程可以通過信號通知另一個進程發生了某事
4. 定時器功能：通過SIGALRM信號實現定時器功能
5. 狀態變化通知：如子進程終止時，父進程會收到SIGCHLD信號

Linux信號的種類

Linux系統定義了多種信號，每種信號都有特定的用途。以下是一些常見的信號：

信號名稱	信號值	默認動作	描述
SIGHUP	1	終止	終端斷開連接
SIGINT	2	終止	鍵盤中斷（Ctrl+C）
SIGQUIT	3	終止 + core	鍵盤退出（Ctrl+\）
SIGILL	4	終止 + core	非法指令
SIGTRAP	5	終止 + core	斷點陷阱
SIGABRT	6	終止 + core	調用 abort 函數
SIGFPE	8	終止 + core	浮點異常
SIGKILL	9	終止	強制終止（不可捕獲）
SIGSEGV	11	終止 + core	段錯誤（無效內存引用）
SIGPIPE	13	終止	管道破裂
SIGALRM	14	終止	定時器到期
SIGTERM	15	終止	終止信號（kill 命令默認）
SIGUSR1	10	終止	用戶自定義信號 1
SIGUSR2	12	終止	用戶自定義信號 2
SIGCHLD	17	忽略	子進程狀態改變
SIGCONT	18	繼續	繼續執行被停止的進程
SIGSTOP	19	停止	停止進程（不可捕獲）
SIGTSTP	20	停止	鍵盤停止（Ctrl+Z）

信號的生命周期

信號的生命周期包括三個階段：產生、未決和處理。

1. 信號的產生

信號可以通過多種方式產生：

2. 信號的未決狀態

當信號產生后，會進入未決狀態，等待被處理。如果此時該信號被阻塞（blocked），則會保持未決狀態，直到解除阻塞。

3.?信號的處理

當信號遞達（delivered）到進程后，進程會根據信號處理方式來響應：

• 默認處理：每個信號都有默認動作，如終止進程、忽略信號等

• 忽略信號：進程可以選擇忽略某些信號（但SIGKILL和SIGSTOP不能被忽略）

• 捕獲信號：進程可以注冊自定義的信號處理函數

信號處理的編程實踐

注冊信號處理函數

在C/C++中，我們可以使用signal()或更強大的sigaction()函數來注冊信號處理函數：

#include?<signal.h>//?信號處理函數void?signal_handler(int?signum)?{printf("捕獲到信號?%d\n",?signum);//?處理信號的代碼}int?main()?{//?注冊SIGINT信號的處理函數signal(SIGINT,?signal_handler);//?程序主循環while(1)?{printf("程序運行中...\n");sleep(1);}return?0;}

使用sigaction()函數（推薦）

sigaction()比signal()更強大，提供了更多控制選項：

#include?<signal.h>void?signal_handler(int?signum)?{printf("捕獲到信號?%d\n",?signum);}int?main()?{struct?sigaction?sa;sa.sa_handler?=?signal_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);??//?清空信號集sa.sa_flags?=?0;//?注冊SIGINT信號的處理函數sigaction(SIGINT,?&sa,?NULL);while(1)?{printf("程序運行中...\n");sleep(1);}return?0;}

發送信號

進程可以使用kill()函數向其他進程發送信號：

#include?<signal.h>#include?<sys/types.h>int?main()?{pid_t?pid?=?1234;??//?目標進程ID//?向進程發送SIGTERM信號kill(pid,?SIGTERM);return?0;}

信號傳遞流程圖：

信號集操作

信號集是一組信號的集合，可以用來表示要阻塞的信號。Linux提供了一系列函數來操作信號集：

#include?<signal.h>int?main()?{sigset_t?set;//?初始化信號集sigemptyset(&set);??//?清空信號集//?添加信號到集合sigaddset(&set,?SIGINT);sigaddset(&set,?SIGTERM);//?阻塞這些信號sigprocmask(SIG_BLOCK,?&set,?NULL);//?...?執行不想被這些信號打斷的代碼?...//?解除阻塞sigprocmask(SIG_UNBLOCK,?&set,?NULL);return?0;}

實際應用場景

1. 優雅地退出程序

當用戶按下Ctrl+C時，我們可能需要先清理資源再退出：

#include?<signal.h>#include?<stdio.h>#include?<stdlib.h>#include?<unistd.h>volatile?sig_atomic_t?keep_running?=?1;void?cleanup_and_exit()?{printf("清理資源...\n");//?關閉文件、釋放內存等清理操作printf("清理完成，退出程序\n");}void?handle_sigint(int?sig)?{printf("\n捕獲到SIGINT信號\n");keep_running?=?0;}int?main()?{struct?sigaction?sa;sa.sa_handler?=?handle_sigint;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags?=?0;sigaction(SIGINT,?&sa,?NULL);printf("程序開始運行，按Ctrl+C退出\n");while?(keep_running)?{printf("工作中...\n");sleep(1);}cleanup_and_exit();return?0;}

2.?父進程監控子進程

父進程可以通過SIGCHLD信號來監控子進程的狀態變化：

#include?<signal.h>#include?<stdio.h>#include?<stdlib.h>#include?<sys/types.h>#include?<sys/wait.h>#include?<unistd.h>void?handle_sigchld(int?sig)?{int?status;pid_t?pid;//?非阻塞方式等待任何子進程while?((pid?=?waitpid(-1,?&status,?WNOHANG))?>?0)?{if?(WIFEXITED(status))?{printf("子進程?%d?正常退出，退出碼:?%d\n",?pid,?WEXITSTATUS(status));}?else?if?(WIFSIGNALED(status))?{printf("子進程?%d?被信號?%d?終止\n",?pid,?WTERMSIG(status));}}}int?main()?{struct?sigaction?sa;sa.sa_handler?=?handle_sigchld;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags?=?SA_RESTART;sigaction(SIGCHLD,?&sa,?NULL);//?創建子進程pid_t?pid?=?fork();if?(pid?<?0)?{perror("fork");exit(1);}?else?if?(pid?==?0)?{//?子進程printf("子進程?%d?開始運行\n",?getpid());sleep(2);printf("子進程?%d?結束運行\n",?getpid());exit(42);}?else?{//?父進程printf("父進程?%d?創建了子進程?%d\n",?getpid(),?pid);//?父進程繼續執行其他工作for?(int?i?=?0;?i?<?5;?i++)?{printf("父進程工作中...\n");sleep(1);}}return?0;}

3. 使用定時器

通過SIGALRM信號實現定時功能：

#include?<signal.h>#include?<stdio.h>#include?<unistd.h>void?handle_alarm(int?sig)?{printf("時間到！\n");}int?main()?{struct?sigaction?sa;sa.sa_handler?=?handle_alarm;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags?=?0;sigaction(SIGALRM,?&sa,?NULL);printf("設置3秒定時器...\n");alarm(3);printf("等待定時器...\n");pause();??//?暫停直到收到信號printf("繼續執行\n");return?0;}

信號處理的注意事項

1. 信號處理函數應該盡量簡單：因為信號處理函數可能在任何時候被調用，所以應該避免復雜操作。
2. 不可重入函數：在信號處理函數中應避免調用不可重入函數（如malloc、printf等），可能導致不可預測的行為。
3. 全局變量訪問：如果在信號處理函數和主程序之間共享變量，應聲明為volatile sig_atomic_t類型，確保原子訪問。
4. SIGKILL和SIGSTOP：這兩個信號不能被捕獲、阻塞或忽略，始終執行默認動作。
5. 信號丟失：如果同一信號多次發送，而進程還沒來得及處理，通常只會記錄一次，可能導致信號丟失。

信號與多線程

在多線程程序中，信號處理變得更加復雜：

1. 信號會被發送到進程中的任一線程，由系統選擇
2. 可以使用pthread_sigmask()函數來設置線程的信號掩碼
3. 可以使用sigwait()函數來專門處理信號的線程

#include?<signal.h>#include?<pthread.h>#include?<stdio.h>#include?<unistd.h>void*?signal_thread(void*?arg)?{sigset_t*?set?=?(sigset_t*)arg;int?sig;while?(1)?{//?等待信號sigwait(set,?&sig);printf("收到信號?%d\n",?sig);if?(sig?==?SIGINT)?{printf("處理SIGINT信號\n");}?else?if?(sig?==?SIGTERM)?{printf("處理SIGTERM信號，準備退出\n");break;}}return?NULL;}int?main()?{sigset_t?set;pthread_t?thread;//?初始化信號集sigemptyset(&set);sigaddset(&set,?SIGINT);sigaddset(&set,?SIGTERM);//?在主線程中阻塞這些信號pthread_sigmask(SIG_BLOCK,?&set,?NULL);//?創建專門處理信號的線程pthread_create(&thread,?NULL,?signal_thread,?&set);printf("主線程運行中，按Ctrl+C發送SIGINT，kill?-15?%d發送SIGTERM\n",?getpid());//?主線程繼續工作while?(1)?{printf("主線程工作中...\n");sleep(1);}pthread_join(thread,?NULL);return?0;}

小結

信號是Linux系統中一種重要的進程間通信機制，雖然功能相對簡單（只能傳遞信號類型，不能傳遞額外數據），但在系統編程中有著廣泛的應用。掌握信號處理，對于編寫健壯的Linux程序至關重要。

信號機制看似簡單，實則暗藏玄機，特別是在多線程環境下。作為一名C++開發工程師，我建議大家在實際項目中謹慎使用信號，遵循最佳實踐，避免常見陷阱。

希望這篇文章能幫助你理解Linux信號機制！如果有問題，歡迎在評論區留言交流~

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