Linux信号机制

1 概述

软中断信号（signal，又简称为信号）用来通知进程发生了异步事件。在软件层次上是对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。信号机制除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。收到信号的进程对各种信号有不同的处理方法。处理方法可以分为三类：

Ø 第一种是类似中断的处理程序，对于需要处理的信号，进程可以指定处理函数，由该函数来处理。

Ø 第二种方法是，忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就象未发生过一样。

Ø 第三种方法是，对该信号的处理保留系统的默认值，这种缺省操作，对大部分的信号的缺省操作是使得进程终止。进程通过系统调用signal来指定进程对某个信号的处理行为。

2 信号处理流程

2.1 信号诞生

信号事件的发生有两个来源：硬件来源(比如我们按下了键盘或者其它硬件故障)；软件来源，最常用发送信号的系统函数是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函数，软件来源还包括一些非法运算等操作。

这里按发出信号的原因简单分类，以了解各种信号：

（1） 与进程终止相关的信号。当进程退出，或者子进程终止时，发出这类信号。

（2） 与进程例外事件相关的信号。如进程越界，或企图写一个只读的内存区域（如程序正文区），或执行一个特权指令及其他各种硬件错误。

（3） 与在系统调用期间遇到不可恢复条件相关的信号。如执行系统调用exec时，原有资源已经释放，而目前系统资源又已经耗尽。

（4） 与执行系统调用时遇到非预测错误条件相关的信号。如执行一个并不存在的系统调用。

（5） 在用户态下的进程发出的信号。如进程调用系统调用kill向其他进程发送信号。

（6） 与终端交互相关的信号。如用户关闭一个终端，或按下break键等情况。

（7） 跟踪进程执行的信号。

2.2 信号注册

在进程表的表项中有一个软中断信号域，该域中每一位对应一个信号。内核给一个进程发送软中断信号的方法，是在进程所在的进程表项的信号域设置对应于该信号的位。如果信号发送给一个正在睡眠的进程，如果进程睡眠在可被中断的优先级上，则唤醒进程；否则仅设置进程表中信号域相应的位，而不唤醒进程。如果发送给一个处于可运行状态的进程，则只置相应的域即可。

进程的task_struct结构中有关于本进程中未决信号的数据成员： struct sigpending pending：

struct sigpending{

struct sigqueue *head, *tail;

sigset_t signal;

};

第三个成员是进程中所有未决信号集，第一、第二个成员分别指向一个sigqueue类型的结构链（称之为"未决信号信息链"）的首尾，信息链中的每个sigqueue结构刻画一个特定信号所携带的信息，并指向下一个sigqueue结构:

struct sigqueue{

struct sigqueue *next;

siginfo_t info;

}

信号在进程中注册指的就是信号值加入到进程的未决信号集sigset_t signal（每个信号占用一位）中，并且信号所携带的信息被保留到未决信号信息链的某个sigqueue结构中。只要信号在进程的未决信号集中，表明进程已经知道这些信号的存在，但还没来得及处理，或者该信号被进程阻塞。

当一个实时信号发送给一个进程时，不管该信号是否已经在进程中注册，都会被再注册一次，因此，信号不会丢失，因此，实时信号又叫做"可靠信号"。这意味着同一个实时信号可以在同一个进程的未决信号信息链中占有多个sigqueue结构（进程每收到一个实时信号，都会为它分配一个结构来登记该信号信息，并把该结构添加在未决信号链尾，即所有诞生的实时信号都会在目标进程中注册）。

当一个非实时信号发送给一个进程时，如果该信号已经在进程中注册（通过sigset_t signal指示），则该信号将被丢弃，造成信号丢失。因此，非实时信号又叫做"不可靠信号"。这意味着同一个非实时信号在进程的未决信号信息链中，至多占有一个sigqueue结构。

总之信号注册与否，与发送信号的函数（如kill()或sigqueue()等）以及信号安装函数（signal()及sigaction()）无关，只与信号值有关（信号值小于SIGRTMIN的信号最多只注册一次，信号值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之间的信号，只要被进程接收到就被注册）

2.3 信号的执行与注销

内核处理一个进程收到的软中断信号是在该进程的上下文中，因此，进程必须处于运行状态。当其由于被信号唤醒或者正常调度重新获得CPU时，在其从内核空间返回到用户空间时会检测是否有信号等待处理。如果存在未决信号等待处理且该信号没有被进程阻塞，则在运行相应的信号处理函数前，进程会把信号在未决信号链中占有的结构卸掉。

对于非实时信号来说，由于在未决信号信息链中最多只占用一个sigqueue结构，因此该结构被释放后，应该把信号在进程未决信号集中删除（信号注销完毕）；而对于实时信号来说，可能在未决信号信息链中占用多个sigqueue结构，因此应该针对占用sigqueue结构的数目区别对待：如果只占用一个sigqueue结构（进程只收到该信号一次），则执行完相应的处理函数后应该把信号在进程的未决信号集中删除（信号注销完毕）。否则待该信号的所有sigqueue处理完毕后再在进程的未决信号集中删除该信号。

当所有未被屏蔽的信号都处理完毕后，即可返回用户空间。对于被屏蔽的信号，当取消屏蔽后，在返回到用户空间时会再次执行上述检查处理的一套流程。

内核处理一个进程收到的信号的时机是在一个进程从内核态返回用户态时。所以，当一个进程在内核态下运行时，软中断信号并不立即起作用，要等到将返回用户态时才处理。进程只有处理完信号才会返回用户态，进程在用户态下不会有未处理完的信号。

处理信号有三种类型：进程接收到信号后退出；进程忽略该信号；进程收到信号后执行用户设定用系统调用signal的函数。当进程接收到一个它忽略的信号时，进程丢弃该信号，就象没有收到该信号似的继续运行。如果进程收到一个要捕捉的信号，那么进程从内核态返回用户态时执行用户定义的函数。而且执行用户定义的函数的方法很巧妙，内核是在用户栈上创建一个新的层，该层中将返回地址的值设置成用户定义的处理函数的地址，这样进程从内核返回弹出栈顶时就返回到用户定义的函数处，从函数返回再弹出栈顶时，才返回原先进入内核的地方。这样做的原因是用户定义的处理函数不能且不允许在内核态下执行（如果用户定义的函数在内核态下运行的话，用户就可以获得任何权限）。

3 可靠信号与不可靠信号

在早期的UNIX中信号是不可靠的，不可靠在这里指的是：信号可能丢失，一个信号发生了，但进程却可能一直不知道这一点。

不可靠信号：现在Linux 在SIGRTMIN实时信号之前的都叫不可靠信号，这里的不可靠主要是不支持信号队列，就是当多个信号发生在进程中的时候（收到信号的速度超过进程处理的速度的时候），这些没来的及处理的信号就会被丢掉，仅仅留下一个信号。

可靠信号：是多个信号发送到进程的时候（收到信号的速度超过进程处理信号的速度的时候），这些没来的及处理的信号就会排入进程的队列。等进程有机会来处理的时候，依次再处理，信号不丢失。

4 信号阻塞和信号未决

信号的“未决”是一种状态，指的是从信号的产生到信号被处理前的这一段时间；

信号的“阻塞”是一个开关动作，指的是阻止信号被处理，但不是阻止信号产生。

信号的阻塞就是让系统暂时保留信号留待以后发送。由于另外有办法让系统忽略信号，所以一般情况下信号的阻塞只是暂时的，只是为了防止信号打断敏感的操作。

当你需要修改某些全局变量时，你可以通过sigprocmask（）函数阻塞处理函数中也使用该变量的信号。在某些信号处理函数中，为了阻止同类信号的到来，可以使用sigaction函数的sa_mask阻塞特定的信号。

使用函数sigprocmask（）阻塞信号的传递，只是延迟信号的到达。信号会在解除阻塞后继续传递。这种情况往往需要在信号程序和其它程序共享全局变量时，如果全局变量的类型不是sig_atomic_t类型，当一部分程序恰好读、写到变量的一半发生信号，而信号程序里会改变该信号，那么就会产生混乱。为了避免这种混乱，提供程序的可靠性，你必须在操作这类变量前阻塞信号，操作完成后恢复信号的传递。

信号阻塞也用来处理必须保证连续操作的完整性方面。比如，你需要检测一个标志（可以是sig_atomic_t类型），该标志在信号程序中设置，当标志没有设置时可 以执行某个操作。假如恰好在检测标志后发生信号，那么信号返回后，程序也会执行这个操作，即使已经设置了标志。这显然会引起程序的不稳定。最好的方法就是 在检测标志到执行操作之间阻塞信号的发生。