信号初相识：Linux 内核的 “隐形使者”

用户11396661

发布于 2025-02-28 09:38:38

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在 Linux 系统的广袤世界里，信号（Signal）宛如一位神秘的隐形使者，默默地在后台发挥着至关重要的作用。它是一种异步通信机制，如同古代的烽火台，当特定事件发生时，便会燃起 “烽火”，通知进程做出相应的反应。信号可以来自硬件异常，如内存访问错误、除零错误；也能由软件条件触发，像是用户按下特定的按键组合，或者程序主动调用系统函数发送信号。

信号在 Linux 系统中有着广泛的应用场景。例如，当你在终端中运行一个程序时，按下Ctrl+C组合键，系统会发送一个SIGINT信号给正在运行的进程，通常这个信号会使进程终止运行。这就好比你在玩游戏时，突然按下暂停键，游戏进程接收到这个 “暂停信号” 后，就会停止当前的操作。又比如，在服务器程序中，通过捕获特定的信号，如SIGHUP信号，可以实现不重启服务而重新加载配置文件的功能，就像给正在工作的机器更换零件，却不影响其整体运行。

那么，这些信号在 Linux 内核中是如何被表示和管理的呢？这就如同揭开神秘使者的面纱，深入探索其背后的奥秘。接下来，我们将一同走进 Linux 内核的世界，探寻信号的 “内核之旅”。

信号的 “内核身份证”：数据结构解析

（一）sigset_t：信号集的神秘面纱

在 Linux 内核的信号管理体系中，sigset_t是一个极为关键的数据结构，它就像是一个精巧的信号容器，以位图的形式来表示信号集合。简单来说，sigset_t本质上是一个 64 位宽度的整数，每一个比特位都对应着一个信号。例如，当第 1 位被设置为 1 时，就表示信号 1（SIGHUP）在这个信号集中是有效的；若为 0，则表示该信号无效。这就好比一个拥有 64 个房间的酒店，每个房间都可以容纳一个信号，房间的门开着（对应位为 1）表示信号在里面，门关着（对应位为 0）则表示信号不在。

为了方便对sigset_t进行操作，Linux 内核提供了一系列实用的函数。这些函数就像是酒店的管理人员，负责对房间（信号）进行各种操作。

sigemptyset(sigset_t *set)：这个函数用于清空信号集，就像是把酒店所有房间的客人都请出去，将信号集中的所有比特位都置为 0 。
sigfillset(sigset_t *set)：与sigemptyset相反，它会填充信号集，把所有比特位都置为 1，也就是让所有信号都进入酒店。
sigaddset(sigset_t *set, int signo)：用于将指定的信号signo添加到信号集set中，就像把一位客人安排进对应的房间。
sigdelset(sigset_t *set, int signo)：从信号集中删除指定的信号，相当于把房间里的客人请出去。
sigismember(const sigset_t *set, int signo)：判断指定的信号是否在信号集中，就像查看某个房间是否住着特定的客人，如果是则返回 1，不是返回 0，出错返回 - 1。

下面是一个简单的示例代码，展示了如何使用这些函数来操作sigset_t：

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

void printsigset(const sigset_t *set) {

for (int i = 1; i <= 64; i++) {

if (i == 33) putchar(' ');

if (sigismember(set, i) == 1)

putchar('1');

else

putchar('0');

}

puts("");

}

int main() {

sigset_t st;

printf("1. 创建信号集\n");

printsigset(&st);

printf("\n2. 填充信号集\n");

sigfillset(&st);

printsigset(&st);

printf("\n3. 清空信号集\n");

sigemptyset(&st);

printsigset(&st);

printf("\n4. 添加信号SIGHUP(1), SIGINT(2), SIGKILL(9)到信号集\n");

sigaddset(&st, SIGHUP);

sigaddset(&st, SIGINT);

sigaddset(&st, SIGKILL);

printsigset(&st);

printf("\n5. 从信号集中删除SIGKILL(9)\n");

sigdelset(&st, SIGKILL);

printsigset(&st);

printf("\n6. 判断信号集是否包含SIGKILL(9)\n");

if (sigismember(&st, SIGKILL)) {

printf("SIGKILL is member\n");

} else {

printf("SIGKILL is not member\n");

}

return 0;

}

（二）task_struct 中的信号印记

在 Linux 内核中，task_struct是进程控制块（PCB）的核心结构体，它就像是进程的 “身份证”，记录了进程的各种信息。而在这个结构体中，有几个字段与信号处理密切相关，它们就像是 “身份证” 上与信号相关的特殊标识。

sighand：这是一个指向sighand_struct结构体的指针，它的作用是存放信号处理函数。在sighand_struct结构体中，包含了一个action[]数组，这个数组就像是一个信号处理函数的 “仓库”，每个元素都对应着一个信号的处理函数。例如，action[0]可能存放着信号 1 的处理函数，action[1]存放着信号 2 的处理函数。
signal：是一个指向signal_struct结构体的指针，signal_struct是嵌套在task_struct中的结构体，包含了一系列信号相关的字段。其中，sig_blocked（信号屏蔽集）用于记录当前进程中被阻塞的信号集合，就像一个 “黑名单”，列出了进程不想立即接收的信号；sig_pending（未决信号集）表示当前进程中所有已到达但尚未被处理的信号，如同一个 “待办事项” 列表，记录着等待处理的信号。

这些字段与信号处理的关联紧密。当一个信号产生时，内核首先会检查该信号是否在sig_blocked集合中，如果在，那么这个信号就会被阻塞，暂时不会被处理，而是被添加到sig_pending集合中。只有当信号不在sig_blocked集合中时，它才有可能被递达给进程，进而触发相应的处理函数。而处理函数的地址就存储在sighand所指向的sighand_struct结构体的action[]数组中。

例如，当进程接收到一个SIGINT信号时，内核会先查看sig_blocked集合中是否有SIGINT信号，如果没有，再根据action[]数组中SIGINT信号对应的处理函数来执行相应的操作。如果SIGINT信号在sig_blocked集合中，那么它就会被放入sig_pending集合，等待后续处理。

信号的三种 “人生状态”

（一）信号未决：等待召唤的 “预备役”

信号未决，是信号从产生到被处理之间的一种过渡状态，就像是一位士兵进入了 “预备役”，等待着被召唤执行任务。当一个信号产生时，内核会在进程控制块（PCB）中设置该信号的未决标识，表明这个信号已经到达，但还未被处理。这个信号就像是被放在了一个 “待处理” 的队列中，等待着合适的时机被处理。

例如，当进程接收到一个SIGINT信号（通常是用户按下Ctrl+C组合键产生），如果此时该信号被阻塞，那么它就会进入未决状态。在未决状态下，信号不会立即被处理，而是被暂时保存起来。直到信号的阻塞被解除，它才有可能被递达给进程进行处理。

在task_struct结构体中，sig_pending字段用于记录未决信号集。这个信号集就像是一个 “待办事项” 清单，列出了所有已到达但尚未被处理的信号。当一个信号进入未决状态时，它会被添加到sig_pending信号集中，等待后续处理。

（二）信号阻塞：被 “暂停” 的执行

信号阻塞是进程对信号的一种控制方式，它可以让进程在特定的时间段内暂时不处理某些信号，就像是给信号的执行按下了 “暂停键”。进程通过设置阻塞信号集，来决定哪些信号在当前不被递达。被阻塞的信号在产生时，会进入未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞，它才有可能被处理。

在 Linux 中，进程可以使用sigprocmask函数来设置阻塞信号集。该函数的原型如下：

#include <signal.h>

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

how参数决定了如何修改阻塞信号集，它有以下几种取值：
- SIG_BLOCK：将set中的信号添加到当前的阻塞信号集中，即当前阻塞信号集 = 当前阻塞信号集 | set。
- SIG_UNBLOCK：从当前阻塞信号集中移除set中的信号，即当前阻塞信号集 = 当前阻塞信号集 & ~set。
- SIG_SETMASK：将当前阻塞信号集设置为set，即当前阻塞信号集 = set。
set参数是一个指向sigset_t类型的指针，它表示要设置或修改的信号集。
oldset参数是一个指向sigset_t类型的指针，用于保存原来的阻塞信号集。如果不需要保存原来的阻塞信号集，可以将其设置为NULL。

例如，以下代码展示了如何使用sigprocmask函数来阻塞SIGINT信号：

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <unistd.h>

int main() {

sigset_t set;

// 初始化信号集

sigemptyset(&set);

// 将SIGINT信号添加到信号集

sigaddset(&set, SIGINT);

// 设置阻塞信号集，将SIGINT信号阻塞

sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

while (1) {

printf("I'm running, and SIGINT is blocked.\n");

sleep(1);

}

return 0;

}

在上述代码中，通过sigaddset函数将SIGINT信号添加到信号集set中，然后使用sigprocmask函数将set设置为阻塞信号集，这样SIGINT信号就被阻塞了。在循环中，进程会不断打印信息，即使用户按下Ctrl+C组合键，也不会终止进程，因为SIGINT信号被阻塞了。

需要注意的是，阻塞和忽略是不同的概念。阻塞是指信号不会被递达，即信号不会进入处理流程；而忽略是在信号递达之后，进程选择不执行任何操作，直接丢弃该信号。

（三）信号递达：最终的 “使命完成”

信号递达是信号生命周期的最后一个阶段，当信号从产生，经过可能的未决和阻塞状态后，最终被进程处理，就达到了信号递达状态，这就像是士兵完成了使命，执行了最终的任务。当信号递达时，进程会根据信号的类型和预先设置的处理方式来执行相应的动作。

信号递达时的处理动作通常有以下三种：

执行默认动作：对于大多数信号，系统都有默认的处理动作。例如，SIGINT信号的默认动作是终止进程，SIGQUIT信号的默认动作是终止进程并产生核心转储文件。
忽略信号：进程可以选择忽略某些信号，即当信号递达时，不执行任何操作。例如，通过signal函数将某个信号的处理方式设置为SIG_IGN，就可以忽略该信号。
捕捉信号：进程可以自定义信号处理函数，当信号递达时，调用自定义的处理函数来处理信号。例如，使用signal函数或sigaction函数来注册信号处理函数。

以下是一个使用signal函数捕捉SIGINT信号的示例代码：

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <unistd.h>

// 自定义信号处理函数

void signal_handler(int signum) {

printf("Caught SIGINT, I won't be terminated!\n");

}

int main() {

// 注册信号处理函数，将SIGINT信号的处理函数设置为signal_handler

signal(SIGINT, signal_handler);

while (1) {

printf("I'm running, you can't terminate me by Ctrl+C easily.\n");

sleep(1);

}

return 0;

}

在上述代码中，通过signal函数将SIGINT信号的处理函数设置为signal_handler。当用户按下Ctrl+C组合键产生SIGINT信号时，信号递达后会调用signal_handler函数，而不是执行默认的终止进程动作，从而实现了对SIGINT信号的捕捉和自定义处理。

实战演练：代码中的信号世界

（一）设置信号屏蔽字：sigprocmask 的魔法

在 Linux 系统中，sigprocmask函数就像是一把神奇的钥匙，用于设置和读取进程的信号屏蔽字。它可以帮助我们控制哪些信号在当前进程中被阻塞，哪些信号可以被递达。下面通过一个具体的代码示例，来深入了解sigprocmask函数的使用方法和参数含义。

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <unistd.h>

int main() {

sigset_t set, oldset;

// 初始化信号集

sigemptyset(&set);

// 将SIGINT信号添加到信号集

sigaddset(&set, SIGINT);

// 设置信号屏蔽字，将SIGINT信号阻塞，保存原来的信号屏蔽字到oldset

if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset) == -1) {

perror("sigprocmask");

return 1;

}

printf("SIGINT信号已被阻塞，现在按下Ctrl+C不会终止进程。\n");

// 模拟一些工作

sleep(5);

// 恢复原来的信号屏蔽字，即解除对SIGINT信号的阻塞

if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, NULL) == -1) {

perror("sigprocmask");

return 1;

}

printf("SIGINT信号阻塞已解除，现在按下Ctrl+C可以终止进程。\n");

// 防止程序立即退出

while (1) {

sleep(1);

}

return 0;

}

在上述代码中：

sigemptyset(&set)：用于初始化一个空的信号集set，就像是清空一个容器，准备放入需要的信号。
sigaddset(&set, SIGINT)：将SIGINT信号添加到信号集set中，这里SIGINT信号通常是由用户按下Ctrl+C组合键产生的。
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset)：SIG_BLOCK表示将set中的信号添加到当前进程的信号屏蔽字中，即阻塞SIGINT信号。&set是指向要操作的信号集的指针，&oldset用于保存原来的信号屏蔽字，以便后续恢复。
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, NULL)：SIG_SETMASK表示将当前进程的信号屏蔽字设置为oldset，即恢复原来的信号屏蔽状态，解除对SIGINT信号的阻塞。

通过这个示例，可以清晰地看到sigprocmask函数如何实现信号的阻塞和解除阻塞操作，从而控制进程对信号的响应。

（二）获取未决信号集：sigpending 的洞察

sigpending函数就像是一个 “探测器”，用于获取当前进程的未决信号集。通过这个函数，我们可以了解到哪些信号已经产生，但由于被阻塞等原因还未被处理。下面通过代码示例来展示如何使用sigpending函数获取未决信号集，并判断信号是否处于未决状态。

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <unistd.h>

int main() {

sigset_t set, pendset;

// 初始化信号集

sigemptyset(&set);

// 将SIGUSR1信号添加到信号集

sigaddset(&set, SIGUSR1);

// 设置信号屏蔽字，将SIGUSR1信号阻塞

if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL) == -1) {

perror("sigprocmask");

return 1;

}

printf("SIGUSR1信号已被阻塞，现在发送SIGUSR1信号。\n");

// 发送SIGUSR1信号

if (raise(SIGUSR1) == -1) {

perror("raise");

return 1;

}

// 获取当前进程的未决信号集

if (sigpending(&pendset) == -1) {

perror("sigpending");

return 1;

}

// 判断SIGUSR1信号是否在未决信号集中

if (sigismember(&pendset, SIGUSR1)) {

printf("SIGUSR1信号处于未决状态。\n");

} else {

printf("SIGUSR1信号不处于未决状态。\n");

}

// 解除对SIGUSR1信号的阻塞

if (sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL) == -1) {

perror("sigprocmask");

return 1;

}

printf("SIGUSR1信号阻塞已解除。\n");

return 0;

}

在上述代码中：