嵌入式Linux系统编程 — 6.1 信号的基本概念

1 信号的概念和作用

1.1 什么是信号

1.2 信号的目的

1.3 信号如何处理

2 信号的分类

2.1 可靠信号与不可靠信号

2.2 实时信号与非实时信号

3 常见信号与默认行为

3.1 信号本质上是 int 类型数字编号

3.2 常见信号

1 信号的概念和作用

1.1 什么是信号

信号是一种软件中断机制

在Linux系统中，信号是一种软件中断机制，用于通知进程发生了某些事件。信号可以由操作系统内核、用户或另一个进程发送。信号与硬件中断的相似之处在于能够打断程序当前执行的正常流程，其实是在软件层次上对中断机制的一种模拟。

信号是异步发生的

信号在Linux系统中是异步发生的，这意味着信号的发送和接收是独立于进程的执行流的。当信号发送给进程时，内核会将信号添加到进程的信号队列中，而进程可以在任何时候通过执行信号处理函数来响应这些信号。

由于信号的异步特性，它们可以即时通知进程发生了某些事件，而无需进程进行轮询或等待。这使得信号成为一种快速且有效的进程间通信机制，尤其适用于需要快速响应的情况。

1.2 信号的目的

Linux系统信号的主要目的是提供一种快速、异步的进程间通信机制，用于通知进程发生了某些特定的事件或条件。信号有以下几个主要来源：

硬件异常：硬件发生异常，即硬件检测到错误条件并通知内核，随即再由内核发送相应的信号给相关进程。如浮点错误（如除以零），会由硬件触发并由内核转换为信号（如SIGFPE）发送给进程。
用户生成：用于在终端下输入了能够产生信号的特殊字符。用户可以通过键盘组合键（如Ctrl+C产生SIGINT）来生成断信号，通过这个方法可以终止在前台运行的进程；按下 CTRL + Z 组合按键可以产生暂停信号（SIGCONT），可以暂停当前前台运行的进程。
进程间通信：进程调用 kill()系统调用可将任意信号发送给另一个进程或进程组。当然对此是有所限制的，接收信号的进程和发送信号的进程的所有者必须相同，亦或者发送信号的进程的所有者是 root 超级用户。
软件条件：软件条件，如进程使用abort函数，会生成SIGABRT信号，进程所设置的定时器已经超时、进程执行的 CPU 时间超限、进程的某个子进程退出等等情况。
系统调用：某些系统调用在特定情况下会触发信号。例如，read或write操作在对应文件描述符变为非阻塞状态且没有数据可读或写时，可能会触发EAGAIN错误，这可以被看作是一种信号。
内核生成：操作系统内核在检测到某些条件时会生成信号。例如，当进程试图执行非法操作或访问无效内存时，内核会发送SIGILL或SIGSEGV。
自定义信号：应用程序可以定义自己的信号处理逻辑，以响应自定义的信号，如SIGUSR1和SIGUSR2。

1.3 信号如何处理

信号通常是发送给对应的进程，当信号到达后，该进程需要做出相应的处理措施，可以通过以下几种方式来处理信号：

忽略信号：进程可以选择忽略某些信号，使其不产生任何效果。例如，使用signal或sigaction函数将信号处理函数设置为SIG_IGN。事实上，大多数信号都可以使用这种方式进行处理，但有两种信号却决不能被忽略，它们是 SIGKILL 和 SIGSTOP，它们是Linux内核保留的信号，用于立即终止和暂停进程，这两个信号的设计是为了在紧急情况下强制终止或暂停进程，确保系统能够迅速响应严重错误或管理员的干预。
捕获信号：进程可以定义信号处理函数（也称为信号捕获函数或信号处理程序），当信号被发送到进程时，该函数将被调用。
默认操作：如果进程没有特别指定如何处理某个信号，那么信号将执行其默认操作。例如，SIGKILL和SIGSTOP信号的默认操作是终止进程，而SIGCHLD信号的默认操作是忽略。
阻塞信号：进程可以暂时阻止某些信号的传递，直到进程再次允许这些信号。这可以通过sigprocmask函数实现。

2 信号的分类

2.1 可靠信号与不可靠信号

在Linux系统中，信号可以分为可靠信号和不可靠信号，这种分类主要是基于信号的传递和处理机制：

不可靠信号（Unreliable Signals）：这类信号可能在发送给进程时丢失，尤其是在高负载或大量信号同时发送的情况下。它们通常用于通知进程发生了某些事件，但不保证进程一定会接收到这些信号。
可靠信号（Reliable Signals）可靠信号确保一旦发送，就会传递给进程，并且会被进程接收。这些信号通常用于控制进程的生命周期，如终止或暂停进程。

在 Linux 系统下使用"kill -l"命令可查看到所有信号，如下所示：

括号" ) "前面的数字对应该信号的编号，编号 1~31 所对应的是不可靠信号，编号 34~64 对应的是
可靠信号，从图中可知，可靠信号并没有一个具体对应的名字，而是使用了 SIGRTMIN+N 或 SIGRTMAXN 的方式来表示。

2.2 实时信号与非实时信号

实时信号与非实时信号其实是从时间关系上进行的分类，与可靠信号与不可靠信号是相互对应的，非实时信号都不支持排队，都是不可靠信号；实时信号都支持排队，都是可靠信号。

非实时信号：也称为标准信号或传统信号，它们是Linux系统中默认的信号类型。这些信号的编号从1到31，包括常见的信号如SIGKILL、SIGTERM、SIGINT等。非实时信号的优先级较低，它们可以被进程忽略或捕获，并由进程定义的处理函数来处理。
实时信号：实时信号是POSIX.1b标准的一部分，提供了比非实时信号更高的优先级。这些信号的编号从32开始，由SIGRTMIN到SIGRTMAX定义，具体数量依赖于系统实现。实时信号不能被进程忽略，必须通过信号处理函数来处理，或者使用sigaction设置为忽略。它们通常用于需要快速响应的场景，如多媒体应用或实时控制系统。

3 常见信号与默认行为

3.1 信号本质上是 int 类型数字编号

信号在Linux系统中确实是以整型数字编号来标识的，每个信号都有一个唯一的数字，通常从1开始递增。例如，SIGINT信号编号为2，SIGTERM信号编号为15。这些整型编号是信号的标识符，用于在程序中引用和操作信号。

然而，除了整型编号，信号还具有对应的宏定义，这些宏定义通常以SIG为前缀，后面跟着信号名称的缩写。例如，SIGINT代表中断信号，SIGTERM代表终止信号。使用宏定义而不是直接使用整型编号可以使代码更易读和维护。

#define SIGHUP 1 /* Hangup (POSIX). */
#define SIGINT 2 /* Interrupt (ANSI). */
#define SIGQUIT 3 /* Quit (POSIX). */
#define SIGILL 4 /* Illegal instruction (ANSI). */
#define SIGTRAP 5 /* Trace trap (POSIX). */
#define SIGABRT 6 /* Abort (ANSI). */
#define SIGIOT 6 /* IOT trap (4.2 BSD). */
#define SIGBUS 7 /* BUS error (4.2 BSD). */
#define SIGFPE 8 /* Floating-point exception (ANSI). */
#define SIGKILL 9 /* Kill, unblockable (POSIX). */
#define SIGUSR1 10 /* User-defined signal 1 (POSIX). */
#define SIGSEGV 11 /* Segmentation violation (ANSI). */
#define SIGUSR2 12 /* User-defined signal 2 (POSIX). */
#define SIGPIPE 13 /* Broken pipe (POSIX). */
#define SIGALRM 14 /* Alarm clock (POSIX). */
#define SIGTERM 15 /* Termination (ANSI). */
#define SIGSTKFLT 16 /* Stack fault. */
#define SIGCLD SIGCHLD /* Same as SIGCHLD (System V). */
#define SIGCHLD 17 /* Child status has changed (POSIX). */
#define SIGCONT 18 /* Continue (POSIX). */
#define SIGSTOP 19 /* Stop, unblockable (POSIX). */
#define SIGTSTP 20 /* Keyboard stop (POSIX). */
#define SIGTTIN 21 /* Background read from tty (POSIX). */
#define SIGTTOU 22 /* Background write to tty (POSIX). */
#define SIGURG 23 /* Urgent condition on socket (4.2 BSD). */
#define SIGXCPU 24 /* CPU limit exceeded (4.2 BSD). */
#define SIGXFSZ 25 /* File size limit exceeded (4.2 BSD). */
#define SIGVTALRM 26 /* Virtual alarm clock (4.2 BSD). */
#define SIGPROF 27 /* Profiling alarm clock (4.2 BSD). */
#define SIGWINCH 28 /* Window size change (4.3 BSD, Sun). */
#define SIGPOLL SIGIO /* Pollable event occurred (System V). */
#define SIGIO 29 /* I/O now possible (4.2 BSD). */
#define SIGPWR 30 /* Power failure restart (System V). */
#define SIGSYS 31 /* Bad system call. */
#define SIGUNUSED 31

3.2 常见信号

前面说到， Linux 下对标准信号（不可靠信号、非实时信号）的编号为 1~31，如示例代码 8.1.1 所示，接下来将介绍这些信号以及这些信号所对应的系统默认操作。

编号	信号名称	描述	系统默认操作
2	SIGINT	终端中断符，当用户在终端按下中断字符（通常是 CTRL + C）时，内核将发送 SIGINT 信号给前台进程组中的每一个进程。	term
3	SIGQUIT	终端退出符，当用户在终端按下退出字符（通常是 CTRL + \）时，内核将发送 SIGQUIT 信号给前台进程组中的每一个进程。	term+core
4	SIGILL	非法硬件指令，如果进程试图执行非法（即格式不正确）的机器语言指令，系统将向进程发送该信号。	term+core
6	SIGABRT	异常终止（abort），如果进程试图执行非法（即格式不正确）的机器语言指令，系统将向进程发送该信号。	term+core
7	SIGBUS	内存访问错误，产生该信号（总线错误， bus error）表示发生了某种内存访问错误。	term+core
8	SIGFPE	算术异常，该信号因特定类型的算术错误而产生，譬如除以 0。	term+core
9	SIGKILL	终极终止信号，SIGKILL此信号为“必杀（sure kill）”信号，用于杀死进程的终极办法，此信号无法被进程阻塞、忽略或者捕获，故而“一击必杀”，总能终止进程。	term
10	SIGUSR1	用户自定义信号 1，该信号和 SIGUSR2 信号供程序员自定义使用，内核绝不会为进程产生这些信号，在我们的程序中，可以使用这些信号来互通通知事件的发生，或是进程彼此同步操作。	term
11	SIGSEGV	无效的内存引用，这一信号非常常见，当应用程序对内存的引用无效时，操作系统就会向该应用程序发送该信号。	term+core
12	SIGUSR2	用户自定义信号 2，与 SIGUSR1 信号相同。	term
13	SIGPIPE	管道关闭，涉及到管道和 socket，当进程向已经关闭的管道、 FIFO 或套接字写入信息时，那么系统将发送该信号给进程。	term
14	SIGALRM	定时器超时（alarm），应用程序中可以调用 alarm()或 setitimer()函数来设置一个定时器，当定时器定时时间到，那么内核将会发送 SIGALRM 信号给该应用程序	term
15	SIGTERM	终止进程，`SIGTERM`通常用于请求进程正常终止。它是一种较为温和的终止信号，允许进程在终止前进行清理工作，比如保存状态、关闭文件描述符或释放资源。与`SIGKILL`（信号编号9）不同，用于立即强制终止进程。	term
17	SIGCHLD/SIGCLD	子进程终止或停止，当父进程的某一个子进程终止时，内核会向父进程发送该信号。	ignore
18	SIGCONT	使停止状态的进程继续运行，将该信号发送给已停止的进程，进程将会恢复运行。	cont
19	SIGSTOP	停止进程，这是一个“必停”信号，用于停止进程（注意停止不是终止，停止只是暂停运行、进程并没有终止）。	stop
20	SIGTSTP	终端停止符，也是一个停止信号，当用户在终端按下停止字符（通常是 CTRL + Z），那么系统会将 SIGTSTP 信号发送给前台进程组中的每一个进程，使其停止运行。	stop
24	SIGXCPU	超过 CPU 限制，当进程的 CPU 时间超出对应的资源限制时，内核将发送此信号给该进程。	term+core
26	SIGVTALRM	虚拟定时器超时，应用程序调用 setitimer()函数设置一个虚拟定时器，当定时器定时时间到时，内核将会发送该信号给进程。	term
28	SIGWINCH	终端窗口尺寸发生变化，在窗口环境中，当终端窗口尺寸发生变化时（譬如用户手动调整了大小，应用程序调用 ioctl()设置了大小等），系统会向前台进程组中的每一个进程发送该信号。	ignore
29	SIGPOLL/SIGIO	异步 I/O，用于提示一个异步 IO 事件的发生，譬如应用程序打开的文件描述符发生了 I/O 事件时，内核会向应用程序发送 SIGIO 信号。	term/ignore
31	SIGSYS	无效系统调用，如果进程发起的系统调用有误，那么内核将发送该信号给对应的进程。	term+core