信号 — 空消息、处置与阻塞Copy Anchor Link

这一章讲什么: 程序跑着跑着,外界(用户、内核、别的进程)有 事要通知它——通知的方式就是信号:一个编号、一个名字、没有 任何附带数据。本章把信号的一生讲透:它怎么来(CRTL-C 背后有 七步硬件旅程)、怎么被「挂起」而不是排队、进程能拿它怎么办 (终止/忽略/捕获)、怎么暂时挡住它(阻塞)、以及写信号处理函数 时必须遵守的军规。这是从「写脚本」跨向「写交互式程序」的 分水岭。

1. 顶层全景:信号的一生Copy Anchor Link

  事件(按键、定时器到期、子进程退出、除零、kill 命令……)
      │  只有内核能「生成」信号:更新目标进程的挂起位
      ▼
  挂起(pending):进程此刻也许在睡觉/排队,信号等着
      │  同类型信号最多挂起 1 个——不排队,后来的丢弃
      │  被阻塞的信号继续挂着,直到解除阻塞
      ▼
  递送(delivery):进程收到信号,三选一处置
      ├─ 默认动作:终止(多数)/ 忽略 / 暂停 / 转储核心(core dump) / 继续
      ├─ 忽略(SIG_IGN)——有些信号不可忽略
      └─ 捕获:执行你注册的 handler(信号被 caught)
             │  handler 里还能再挡别的信号(sa_mask)、
             │  决定同型信号来了怎么办(sa_flags)
             ▼
  handler 返回 → 内核把程序恢复到被打断的下一条指令

图说:生成≠递送,中间隔着「挂起」;递送≠终止,「处置」由进程 自己定(除了 SIGKILL 和 SIGSTOP,谁都拦不住)。

主线例子全章共用:你在终端按下 CTRL-C。它经过七步才变成 SIGINT,每一步都是具体的硬件/内核动作;然后看一个捕获了 SIGINT 的程序,在连续按 6 次 CTRL-C 时只交付 1 次——「不排队」铁律的 现场。

2. 主线例子第一步:CTRL-C 的七步旅程Copy Anchor Link

  ① 键盘电路产生扫描码,经键盘控制器接收
  ② 控制器触发硬件中断 —— 每个键都中断一次,所以每击键都被即时处理
  ③ 内核短暂接管:找到这块键盘对应的终端,转交终端驱动
  ④ 驱动查「特殊字符表」:VINTR 位登记的码 == CTRL-C 的码
  ⑤ 查终端配置:isig 标志开着 → 让信号子系统给「控制终端是该终端
     的所有进程」发 SIGINT
  ⑥ 内核发出 SIGINT
  ⑦ 你的进程收到:没装 handler 就按默认动作终止 —— 这就是 CTRL-C
     杀死程序的全部机制

图说:一次按键 = 一次硬件中断 + 一次内核查表 + 一次信号投递。 慢的是人,这段链条快得看不见。信号分两类:像 CTRL-C 这种异步 信号——什么时候到与进程在干什么无关;像除零这种同步信号—— 重跑程序它会在同一指令处再现¹。

3. 信号是什么:空消息 + 一张分类表Copy Anchor Link

信号除了编号没有任何内容——「像一封只有主题没有正文的邮件」, SIGWINCH 的值本身就告诉你「窗口变了」²。编号随架构而异 (SIGINT 在大多数机器上是 2,但程序只许用符号名),kill -l 看 全表;<signal.h> 里 NSIG 是信号总数³。分类记这几个就够:

默认动作五选一：终止 / 忽略 / 暂停 / core dump(把内存镜像写进 core 文件再死,gdb 能打开验尸)/ 继续⁴。

4. signal():能用但要知其病根Copy Anchor Link

装 handler 两步：写个 void handler(int signum) 函数 → 用系统调用 注册。signal(信号, 处理) 第二个参数还能是 SIG_IGN(忽略)或 SIG_DFL(恢复默认)⁵。

signal() 的病在历史:老 Unix 里 handler 一跑,处置就重置回默认, 第二个同型信号来了直接按默认动作杀掉进程;程序员在 handler 里 重新 signal() 自救,但两个信号挤进来的窗口 race 依旧。4.4BSD 和 System V 各修各的,语义分裂;POSIX 采了 BSD 版。Linux 默认编译 出 BSD 语义(不重置);加 -D_XOPEN_SOURCE 或换 sysv_signal() 才得到 System V 语义——演示程序里第一次 CTRL-C 被捕获、第二次 直接死掉⁶。结论:signal() 只配教学,真代码用 sigaction()⁷。

5. 发送信号:kill 命令、kill()、raise()Copy Anchor Link

kill PID 发 SIGTERM;kill -s SIGKILL PID(名字可写全名/去 SIG 前缀/编号);kill -1 给所有「你够得着」的进程发;pkill 按命令名 匹配⁸。程序里是 kill(pid, sig),权限规则:发送者的真实或 有效 UID 必须等于目标的 UID 才发得动(root 除外)⁹。第一个 参数的花样:0 = 全进程组、-1 = 所有够得着的、n<-1 = 进程组 |n| ——一条管道命令 last | grep | sort | uniq 里所有进程同组, 一次 kill 全端掉¹⁰。raise(sig) = kill(getpid(), sig), 典型用途:收到 SIGTSTP 时在 handler 里先做清理,再 raise(SIGTSTP) 把自己停掉(raise_demo 的模式)¹¹。

6. 阻塞:信号掩码与「不排队」铁律Copy Anchor Link

阻塞 ≠ 忽略:忽略是信号到了、进程丢弃;阻塞是信号根本不到, 攒着。内核给每个进程(第 15 章会看到每个线程也有)维护一张 信号掩码(可想象成每型信号一位的位图)¹²。API 三件套: sigemptyset/sigfillset/sigaddset/sigdelset/sigismember 组装 sigset_t(别自己按位运算——实现不一定是位图),然后 sigprocmask(SIG_BLOCK|SIG_UNBLOCK|SIG_SETMASK, &set, &old) 换掩码¹³。

主线例子第二步:sigprocmask_demo1 的实验记录:

$ ./sigprocmask_demo1
SIGINT is blocked; sleeping for 5 seconds. Try entering a few CTRL-Cs.
^C^C^C^C^C^C Caught SIGINT          ← 6 次 CTRL-C,只交付 1 次!
SIGINT is no longer blocked. Enter a few CTRL-Cs.
^C Caught SIGINT
^C Caught SIGINT                   ← 解除后,每次 CTRL-C 都即时交付

三条规则解释输出¹⁴:

1. 被阻塞的信号不排队——阻塞期间来 6 个同型信号,只挂起 1 个, 其余丢弃;
2. 解除阻塞立即递送——POSIX 要求挂起的信号在 sigprocmask 返回 之前交给 handler，所以 "Caught SIGINT" 出现在 "no longer blocked" 之前;
3. 慢系统调用被打断后不重启——usleep 被信号打断就直接返回 (Linux 上多数调用如此;signal(7) 有全表),所以那个循环最多 捕获 5 次。想让被打断的 read 之类的调用自动重来,装 handler 时 加 SA_RESTART¹⁵。

用阻塞保护临界区的标准姿势:存旧掩码 → SIG_BLOCK → 临界区 → SIG_SETMASK 恢复旧掩码(恢复比 SIG_UNBLOCK 安全——若该信号 本来就被别人挡着,恢复旧值不会误开)¹⁶。handler 和主程序共享 的变量,主程序访问时要挡信号;共享标志声明成 volatile sig_atomic_t——单条指令读写得完、且禁止编译器塞 寄存器¹⁷。

7. 等待信号:sigsuspend 与 sigwaitCopy Anchor Link

「解除阻塞 + pause() 睡觉等信号」有一个竞态：信号若恰好落在 两者之间,pause 会睡过头。sigsuspend(&mask) 原子地完成 「换掩码 + 挂起」两件事,等于把 sigprocmask; pause; 恢复 焊成一个不可分的系统调用；信号一到 handler 跑完，它带 EINTR 返回，掩码自动复原¹⁸。

另一种思路干脆不要 handler:sigwait(&set, &sig) 同步等信号—— 先把关心的信号全 BLOCK 掉，然后 sigwait 从挂起队列里收走 一个(它不再触发 handler),用返回值 switch 处理。程序按普通 控制流响应信号，没有异步打断，没有 async-signal-safe 问题。 这是「信号当事件队列用」的现代姿势¹⁹。

8. sigaction:现代的信号处置Copy Anchor Link

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);            /* 老式 handler */
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);  /* SA_SIGINFO 时用 */
    sigset_t   sa_mask;        /* handler 运行期间额外挡住的信号 */
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);   /* 库内部用,忽略 */
};

sa_handler 与 sa_sigaction 在某些机器上是 union——二选一。 sa_flags 四个开关²⁰:

演示程序 sigact_demo3 用毫秒级时间戳当「书挡 ID」:不加 NODEFER 时输出是 进-出 进-出 进-出(同型信号被挡,排队一个个来); 加了 NODEFER 变成 进进进……出出出(handler 被重入, 像递归)。加 restart 后 read 不再报 EINTR——程序一直睡在 read 里 等你输入²¹。

siginfo_t:信号是谁、为什么发的Copy Anchor Link

SA_SIGINFO 下 handler 收到 (int signo, siginfo_t *info, void *ctx)。 Linux 上保证有值的只有 si_signo/si_errno/si_code;谁发的填 si_pid/si_uid(kill 命令发的、raise 发的都填),硬件陷阱填 si_addr(出错指令地址)²²。sigact_demo2 故意制造三种算术错:

$ ./sigact_demo2       → Code: FPE_INTDIV (Integer divide by zero)
$ ./sigact_demo2 f     → Code: FPE_FLTDIV (Floating-point divide by zero)
$ ./sigact_demo2 o     → Code: FPE_FLTOVF (Floating-point overflow)

一个深刻的坑:handler 返回后,程序从被打断的指令继续——而同步 信号的那条指令本身就是错的,于是再错、再进 handler,死循环。 所以处理 SIGFPE 这类信号的 handler 必须自己终结进程(raise 一个 没 handler 的 SIGTERM)²³。

9. handler 设计军规Copy Anchor Link

1. 越薄越好:正经做法是 handler 只置一个 volatile sig_atomic_t 标志,主程序周期性检查并干活;
2. 只调 async-signal-safe 函数(signal-safety(7) 有全表); printf 不安全——要输出就用 write();
3. handler 通常该是「最后的代码」:跑完就该退出(要跳走看 sigsetjmp/siglongjmp);
4. 一个 handler 捕多个信号类型是坏味道,重入设计加倍难²⁴。

10. 作者的判断与证据Copy Anchor Link

有明证的:

• CTRL-C 七步链条、终端驱动查 VINTR/isig,是可对照内核行为验证 的机制描述¹。
• 阻塞期间 6 次 CTRL-C 只交付 1 次的实验、解除阻塞先于下一条 printf 的 POSIX 规定,直接可复现¹⁴。
• sigact_demo2 的 si_code 三值对照、同步信号重执行死循环,有 运行记录²³。
• signal() 的 System V/BSD 语义分裂有历史出处⁶。

作者的判断:

• 「signal() 别用了,一律 sigaction」——业界共识,书中立场鲜明⁷。
• 「handler 里尽量只置标志」是保守的工程军规,牺牲实时性换正确性; 对于「主程序本来就空转等信号」的程序,重活放 handler 也成立, 作者留了口子²⁴。
• printf 进 handler 的 UNSAFE 注释是明知故犯的教学简化, 书中明说²⁵。

11. 边界与局限Copy Anchor Link

• 本章只讲信号基础:实时信号(sigqueue 带数据)、sigtimedwait、 信号与线程的纠葛(哪个线程收信号)都推到第 15 章之后;
• SA_NOCLDSTOP/SA_NOCLDWAIT(子进程相关)只点了名,第 11 章用²⁰;
• sigaltstack(alternate signal stack)未展开;
• sigsetjmp/siglongjmp 说「去读 man 页」²⁴;
• 信号不排队、不带数据的本质局限意味着它只配当「通知」,不配当 「消息」——要传数据得用管道/共享内存(第 12、13 章)。

12. 可带走的Copy Anchor Link

主线例子,一行复述: CTRL-C → 扫描码 → 硬件中断 → 终端驱动查 VINTR/isig → 内核给控制终端进程组发 SIGINT → 默认动作终止; 装 handler 捕获后,阻塞期连按 6 次只交付 1 次(不排队), 解除阻塞立即交付,usleep 被打断不重启(SA_RESTART 可救)。

1. 信号 = 空消息;内核是唯一投递员;生成≠递送,中间是挂起。
2. 同型信号不排队——挂起位只有一位;阻塞≠忽略。
3. 处置三选一:默认 / SIG_IGN / handler;SIGKILL 与 SIGSTOP 谁也 拦不住。
4. signal() 有历史语义分裂,真代码一律 sigaction()。
5. kill(0/-1/n<-1) 按进程组投递;权限 = UID 匹配;raise 是自投。
6. sigset_t 用 sigemptyset/sigaddset 组装,别按位自己搓。
7. 保护临界区:存旧掩码→BLOCK→干活→SETMASK 恢复旧掩码。
8. 解除阻塞立即递送(先于 sigprocmask 返回);慢系统调用被打断 返 EINTR,SA_RESTART 让它们自动重来。
9. sigsuspend = 原子「换掩码+睡觉」,修掉 pause 的竞态;sigwait = 无 handler 的同步等信号,「信号当事件队列」。
10. sa_flags:SA_SIGINFO 拿 siginfo_t(si_pid/si_uid 谁发的、 si_code 为什么);SA_NODEFER 允许重入;SA_RESETHAND 一次性。
11. 同步信号(SIGFPE/SIGSEGV)handler 返回会重执行出错指令—— handler 必须终结进程。
12. handler 军规:薄、只用 async-signal-safe 函数(write 不用 printf)、共享标志用 volatile sig_atomic_t、一类信号一个 handler。

13. 原文地图Copy Anchor Link