进程间信号

信号的认识
信号的产生
进程对信号的处理机制
- 普通信号的处理机制
- 实时信号的处理机制
信号集操作函数
信号的捕捉

信号的认识

信号的概念：
信号是一种软件中断，它用于通知进程一个异步事件的发生。
这些事件可能来自系统内部（如硬件异常、定时器到期等），也可能来自其他进程或用户操作（如通过键盘输入Ctrl+C发送中断信号）。
每个信号都有一个特定的编号和名称，例如SIGINT（中断信号）和SIGTERM（终止请求信号）。

信号总数：
标准信号（非实时信号）：编号范围为 1 到 31（如 SIGINT、SIGTERM）。
实时信号（POSIX 标准扩展）：编号从 SIGRTMIN（通常 34）到 SIGRTMAX（通常 64）。
总计约 64 个信号。
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进程对信号的响应：
当一个进程接收到信号时，它可以采取以下三种行动之一：
执行默认动作：大多数信号都有默认的动作，可能是忽略信号、暂停进程、终止进程或者产生核心转储文件。

忽略信号：进程可以选择忽略某些信号，除了SIGKILL（9号信号）和SIGSTOP（19号信号），这两个信号不能被忽略。

捕获并处理信号：进程可以定义自己的信号处理函数来捕获信号，并在接收到信号时执行自定义的行为。

系统调用signal()： 允许进程指定一个信号处理函数，当进程接收到特定类型的信号时，操作系统将调用这个函数而不是执行该信号的默认行为。

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int sig, sighandler_t handler);

参数：
sig：需处理的信号编号（如 SIGINT、SIGTERM）。
handler：信号处理方式，可为：
	1.用户自定义函数：信号触发时执行；
	2.SIG_IGN：忽略该信号；
	3.SIG_DFL：恢复系统默认行为。

返回值：成功时返回旧的信号处理函数指针，失败返回 SIG_ERR。

进程的整个生命周期里只需要设置一次，往后都有效。
不是所有的信号都能被自定义捕捉， 9号（杀死进程）和19号（暂停进程）信号不能被捕捉。（只看1~31号普通信号）

示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>

// 信号处理函数
void handle_sigint(int sig) {
    printf("Caught signal %d (SIGINT), exiting...\n", sig);
    exit(0); // 优雅地退出程序
}

int main() {
    // 设置 SIGINT 信号的处理函数
    if (signal(SIGINT, handle_sigint) == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 无限循环，等待信号
    while (1) {
        // 通常，这里会执行一些有用的工作
    }

    return 0;
}

信号的产生

1. 键盘组合键（终端驱动触发）
用户通过终端输入特定组合键时，终端驱动程序会检测并生成信号，发送给当前前台进程组。

Ctrl + C：
- 产生 SIGINT（2号信号），默认行为是终止进程。
- 用于用户主动中断进程（如停止卡死的程序）。
Ctrl + \：
- 产生 SIGQUIT（3号信号），默认行为是终止进程并生成核心转储（core dump）。
- 用于强制终止进程并调试（如定位程序崩溃点）。

2. kill 命令（用户主动发送）
通过命令行工具 kill 显式向指定进程发送信号，本质是调用 kill() 系统调用的封装。

语法：kill -信号编号 PID

示例：

kill -9 1234      # 发送 SIGKILL（9号信号）强制终止 PID=1234 的进程
kill -TERM 5678   # 发送 SIGTERM（15号信号）请求优雅终止进程

关键信号：
- SIGTERM（15号）：默认终止进程，允许进程清理资源（友好终止）。
- SIGKILL（9号）：强制立即终止进程，不可被捕获或忽略（终极手段）。

3. 库函数（程序内部触发）
通过编程调用库函数或系统调用，由进程主动生成信号。
(1) kill() 系统调用

功能：向指定进程（或进程组）发送信号。

原型：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);  // 成功返回 0，失败返回 -1

示例：

kill(1234, SIGTERM);  // 向 PID=1234 发送终止信号
kill(-1, SIGKILL);    // 向所有进程广播 SIGKILL（需 root 权限）

(2) raise() 系统调用

功能：向当前进程自身发送信号（等价于 kill(getpid(), sig)）。

原型：

int raise(int sig);  // 成功返回 0，失败返回非 0

示例：

raise(SIGABRT);      // 主动触发异常终止（生成 core dump）

(3) abort() 库函数

功能：触发 SIGABRT（6号信号），强制终止当前进程并生成核心转储。
特点：
- 即使进程捕获 SIGABRT 并定义处理函数，处理完毕后仍会终止进程（除非处理函数内调用 longjmp 等跳转函数）。
- 用于断言失败（如 assert() 宏底层调用 abort()）。

示例：

if (error) abort();  // 检测到致命错误时终止程序

4. 硬件异常或软件条件（操作系统触发）
由硬件错误或系统内部条件触发的信号，由内核直接生成并发送给进程。

(1) 硬件异常

场景：
- 除零错误：CPU 检测到除零操作 → 内核发送 SIGFPE（8号信号）。
- 非法内存访问：MMU 检测到野指针访问 → 内核发送 SIGSEGV（11号信号）。
- 总线错误：未对齐内存访问 → 内核发送 SIGBUS（7号信号）。

(2) 软件条件

场景：
- 定时器到期：alarm(seconds) 设置定时器 → 到期后触发 SIGALRM（14号信号）。
- 子进程终止：子进程退出时，内核向父进程发送 SIGCHLD（17号信号）。
- 管道破裂：向已关闭的管道写数据 → 触发 SIGPIPE（13号信号）。
示例：
```
alarm(5);  // 5秒后触发 SIGALRM
```

信号产生的本质
所有信号最终由操作系统内核生成并传递给目标进程：

异步事件：信号可能在任何时间点中断进程的执行流程。
统一管理：无论信号来源（用户、硬件、程序自身），均由内核统一调度和处理。

信号产生方式	典型场景	核心机制
键盘组合键	用户中断前台进程	终端驱动调用 `kill()`
`kill` 命令	管理进程生命周期	封装 `kill()` 系统调用
库函数/系统调用	程序主动触发异常或终止	调用 `kill()`/`raise()`
硬件异常或软件条件	CPU/MMU 异常或系统事件	内核直接生成信号

进程对信号的处理机制

普通信号的处理机制

进程收到信号后，不一定会立即处理，而是等待特定时机（如从内核态返回用户态时），这种延迟形成一个时间窗口，信号三表来统筹完成这个过程。

信号传递过程相关名词：
信号递达：实际执行信号的处理动作。

信号未决：信号从产生到递达之间的状态。

进程可以选择阻塞 (Block )某个信号，被阻塞的信号产生时将保持在未决状态，直到进程解除对此信号的阻塞，才执行递达的动作。

注意，阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

信号三表：
blocked位图： 用来标记当前哪些信号被该进程所屏蔽（阻塞），即使这些信号已经到达也不会立即触发处理函数，而是保持在未决状态直到解除屏蔽。
（位值为 1 表示信号被阻塞，被阻塞的信号会停留在 pending 中，直到解除阻塞。）

pending位图： 用于记录所有已经到达但是还没有被递达给进程的信号。
（位值为 1 表示信号已到达但未处理，信号递送时，内核清除对应位）

handler表： 实际上是一个函数指针数组，用于定义每种信号的具体处理动作。当信号递达时，根据信号编号找到对应的处理函数指针，并执行相应的处理逻辑。如果信号没有特定的处理函数，则按照默认行为处理或者忽略该信号。

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【注】位图中的不同位代表不同的信号是否被接收到（不同类型的信号会分别占据pending位图中的不同比特位）。
普通信号不支持排队，多个相同类型的信号在它们被处理之前到达，只会有一个实例被记录下来。

实时信号的处理机制

(1) 可靠排队传递
队列化存储：当多个相同的实时信号到达时，内核会将其按接收顺序加入等待队列，确保每次触发均被处理。

(2) 优先级与顺序控制
按编号区分优先级：实时信号的编号越大，优先级越高。
同种信号按到达顺序处理：若多次发送同一实时信号（如多次 SIGRTMIN+5），则按 先进先出（FIFO） 顺序处理。

(3) 支持携带数据
通过 sigqueue() 发送实时信号时，可附加用户自定义数据（整数或指针），由内核传递给信号处理函数。

信号集操作函数

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
//初始化信号集 set，清空所有信号（所有位设为0）

int sigfillset(sigset_t *set);
//初始化信号集 set，包含所有信号（所有位设为1）

int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
//将信号 signo 添加到信号集 set 中

int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
//从信号集 set 中删除信号 signo

int sigismember (const sigset_t *set, int signo);
//检查信号 signo 是否在信号集 set 中

信号屏蔽控制函数：

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)
//修改或获取进程的信号屏蔽字（blocked信号集）

int sigpending(sigset_t *set)
//获取当前进程的未决信号集（pending信号集，（已到达但被阻塞的信号））

信号的捕捉

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信号捕捉在进程从内核态返回用户态时触发，如果自定义信号处理函数会返回用户态执行函数，函数返回时执行特殊系统调用再次进入内核态，内核态执行返回系统调用，返回用户态中断的地方继续向下执行。

系统调用sigaction()： 更灵活更安全的signal()。

#include <signal.h>

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

参数说明：
signum：目标信号的编号（如 SIGINT、SIGTERM）。
act：指向 struct sigaction 的指针，用于设置新行为。
oldact：若不为 NULL，则保存之前的信号处理配置。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

struct sigaction 结构体

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);          // 信号处理函数(和signal()类似的处理函数，无法携带附加信息)
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 信号处理函数（可带附加信息）
    //两个信号处理函数选择其中一个填写使用
    sigset_t  sa_mask;                    // 信号掩码，在处理期间临时屏蔽的信号集
    int       sa_flags;                   // 信号处理标志
};

示例：

//无法携带附加信息的信号处理函数版本
#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void handler(int sig) {
    printf("Caught signal %d\n", sig);
}

int main() {
    struct sigaction act;
    sigemptyset(&act.sa_mask);  // 清空信号掩码
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = handler;   // 设置处理函数

    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }

    while(1) pause();  // 等待信号
    return 0;
}


//使用携带附加信息处理函数的版本
#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void handler(int sig, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("Caught signal %d from pid %d\n", sig, info->si_pid);
}

int main() {
    struct sigaction act;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;  // 启用 sa_sigaction
    act.sa_sigaction = handler; // 设置带附加信息的处理函数

    if (sigaction(SIGUSR1, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }

    while(1) pause();
    return 0;
}

信号处理时的机制：
接收到信号后，pending位图上的对应位置由0->1；信号在递达时，位图对应位置上的1会在执行信号捕捉方法之前被清0。
当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字，这样就保证了在处理某个信号时，如果这种信号再次产生，那么它会被阻塞到当前处理结束为止，不允许嵌套捕捉。
（sa_mask屏蔽的信号，在信号处理函数执行时也会被屏蔽，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。）