Linux 信号是一种异步事件通知机制。内核、终端或其他进程可以向目标进程发送信号，目标进程再按照默认动作、忽略规则或自定义处理器作出响应。

信号适合表达“发生了某件事”，不适合直接传输大量业务数据。真正掌握信号，需要理解信号的产生、未决、阻塞、递达、捕获，以及处理器中的异步安全约束。

一、信号是什么

信号可以理解为发送给进程或线程的一个编号。它的特点是：

• 异步：信号可能在程序执行到几乎任何位置时到达；
• 信息量有限：普通信号主要表达事件类型；
• 由内核参与递送：发送者不能直接跳进目标进程执行函数；
• 有预设动作：终止、生成 core、停止、继续或忽略；
• 可以阻塞：暂时不递达，先保持为 pending 状态。

常见信号如下：

查看当前系统定义的信号：

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kill -l
man 7 signal

不要把不同 Unix 系统上的具体信号编号写死。代码中应使用 SIGINT、SIGTERM 等宏。

二、信号如何产生

2.1 终端按键

Shell 会管理前台进程组。常见控制键：

• Ctrl-C：向前台进程组发送 SIGINT；
• Ctrl-\：向前台进程组发送 SIGQUIT；
• Ctrl-Z：向前台进程组发送 SIGTSTP。

信号通常发送给整个前台进程组，而不只是某一个进程。

2.2 kill 命令

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kill -TERM 1234
kill -INT 1234
kill -KILL 1234

kill 的名字容易误导：它的本质是发送信号，不一定终止进程。

应优先发送 SIGTERM，让程序有机会完成清理；只有目标无法正常退出时才考虑 SIGKILL。

2.3 kill、raise 与 abort

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

int kill(pid_t pid, int sig);
int raise(int sig);
void abort(void);

• kill：按 PID 或进程组发送信号；
• raise：向当前执行流所属进程发送信号；
• abort：触发异常终止，通常产生 SIGABRT。

kill 的 pid 参数含义：

发送信号需要权限。普通用户通常只能向自己拥有的进程发送信号。

2.4 软件条件与硬件异常

常见例子：

• alarm 到期产生 SIGALRM；
• 向无读者管道写数据产生 SIGPIPE；
• 子进程状态变化产生 SIGCHLD；
• 非法地址访问产生 SIGSEGV；
• 除零等异常可能产生 SIGFPE。

不要把 SIGSEGV 当作可以可靠恢复的普通业务通知。发生内存破坏后，进程状态可能已经不可信。

三、默认处理、忽略和捕获

一个可捕获信号通常有三种处置方式：

1. 执行默认动作 SIG_DFL；
2. 忽略信号 SIG_IGN；
3. 调用用户注册的信号处理函数。

SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被捕获、阻塞或忽略，这是内核保留的最终控制手段。

四、Core Dump

某些致命信号的默认动作会终止进程并生成 core 文件。core 是进程崩溃时的内存与寄存器快照，可用于 GDB 分析。

查看或调整当前 Shell 的 core 大小限制：

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ulimit -c
ulimit -c unlimited

调试：

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gcc -g -O0 crash.c -o crash
gdb ./crash core

现代发行版可能由 systemd-coredump、Apport 或其他服务集中管理 core，因此文件不一定直接出现在当前目录。

生产环境的 core 可能包含密钥、口令和用户数据，应严格控制存储权限与保留周期。

五、信号的阻塞、未决与递达

理解三个术语：

• 产生（generation）：某个事件使信号出现；
• 未决（pending）：信号已经产生，但尚未递达；
• 递达（delivery）：内核真正执行该信号的处置动作。

阻塞不是忽略：

• 阻塞信号时，信号可以进入未决状态；
• 解除阻塞后，未决信号才有机会递达；
• 忽略则是该信号的处置方式。

5.1 普通信号与实时信号

传统普通信号通常不会为同一信号编号累计任意多个实例：阻塞期间重复产生，解除阻塞后可能只观察到一次。

实时信号位于 SIGRTMIN 到 SIGRTMAX，支持排队，并可携带有限数据。实时信号的具体可用范围可能被线程库占用，不应假设固定编号。

5.2 sigset_t 信号集

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#include <signal.h>

int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

不要直接假设 sigset_t 的内部布局，必须通过这些接口操作。

5.3 sigprocmask

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

how 常见取值：

单线程程序可使用 sigprocmask。多线程程序中，每个线程拥有自己的信号掩码，应使用 pthread_sigmask 明确管理。

5.4 查看未决信号

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sigset_t pending;
if (sigpending(&pending) == -1) {
    perror("sigpending");
}

六、使用 sigaction 捕获信号

相比历史接口 signal，新代码更推荐 sigaction，因为它能明确指定处理器执行期间的屏蔽集和行为标志。

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#include <signal.h>

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

常用字段：

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struct sigaction action;
action.sa_handler = handler;
sigemptyset(&action.sa_mask);
action.sa_flags = 0;

6.1 一个安全的退出标志示例

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#define _POSIX_C_SOURCE 200809L

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

static volatile sig_atomic_t stop_requested = 0;

static void handle_stop(int signum)
{
    (void)signum;
    stop_requested = 1;
}

int main(void)
{
    sigset_t blocked;
    sigset_t old_mask;
    sigemptyset(&blocked);
    sigaddset(&blocked, SIGINT);
    sigaddset(&blocked, SIGTERM);

    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &blocked, &old_mask) == -1) {
        perror("sigprocmask block");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    struct sigaction action;
    action.sa_handler = handle_stop;
    sigemptyset(&action.sa_mask);
    action.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGINT, &action, NULL) == -1 ||
        sigaction(SIGTERM, &action, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    puts("running; press Ctrl-C to stop");

    while (!stop_requested) {
        errno = 0;
        if (sigsuspend(&old_mask) == -1 && errno != EINTR) {
            perror("sigsuspend");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    }

    if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask restore");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    puts("stop requested; clean up in normal control flow");
    return EXIT_SUCCESS;
}

编译：

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gcc -std=c11 -Wall -Wextra -Wpedantic signal_flag.c -o signal_flag

这里先阻塞目标信号，再使用 sigsuspend 原子地解除阻塞并等待，避免“检查标志后、进入休眠前”丢失唤醒。处理器只给 volatile sig_atomic_t 赋值，把日志、资源释放和复杂业务留在正常控制流中执行。

6.2 为什么不能用普通 int

sig_atomic_t 是 C 标准保证可被信号处理器以不可分割方式访问的整数类型。volatile 告诉编译器每次都实际读取或写入该对象。

但要注意：

• volatile 不是线程同步工具；
• 它不提供 C11 原子变量那样的跨线程内存序；
• 它也不能让任意复杂操作在信号处理器中变安全。

七、信号处理器中的异步信号安全

信号可能打断主程序正在执行的库函数。如果处理器再次调用同一个不可重入函数，内部状态可能被破坏。

因此处理器中不能随意调用：

• printf、fprintf；
• malloc、free；
• 大部分 C++ 标准库；
• 普通互斥锁；
• 自己编写但未证明可重入的复杂函数。

POSIX 规定了一组 async-signal-safe 函数，例如 _exit、write、kill 等。完整列表应查阅：

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man 7 signal-safety

即便 write 是异步信号安全的，也要避免多个执行流同时写复杂日志导致内容交错。

7.1 SA_RESTART

某些阻塞系统调用被信号打断后会返回 -1/EINTR。设置 SA_RESTART 后，内核或 C 库可以自动重启部分接口：

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action.sa_flags = SA_RESTART;

但不是所有接口都会重启。可靠代码仍应理解每个系统调用的 EINTR 语义。

7.2 SA_SIGINFO

需要获得发送者 PID、UID 或故障地址等信息时，可以使用三参数处理器：

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static void handler(int sig, siginfo_t *info, void *context);

struct sigaction action;
action.sa_sigaction = handler;
sigemptyset(&action.sa_mask);
action.sa_flags = SA_SIGINFO;

这不会放宽异步信号安全限制。

八、避免“检查后再休眠”的竞态

下面的逻辑存在竞态：

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if (!event_arrived) {
    pause();
}

信号可能恰好在检查之后、pause 之前递达，随后程序进入永久休眠。

一种经典解决方案是：

1. 先阻塞目标信号；
2. 检查条件；
3. 使用 sigsuspend 原子地临时替换掩码并休眠；
4. 被信号唤醒后恢复原掩码。

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int sigsuspend(const sigset_t *mask);

“修改屏蔽集 + 进入等待”必须是原子步骤，这和条件变量解决丢失唤醒的思想相似。

九、回收子进程与 SIGCHLD

子进程退出后，父进程需要调用 wait 或 waitpid 读取状态，否则子进程可能成为僵尸进程。

一个 SIGCHLD 可能对应多个已退出子进程，而且普通信号可能合并，因此处理逻辑必须循环回收：

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#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>

static void reap_children(int signum)
{
    int saved_errno = errno;
    (void)signum;

    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) {
    }

    errno = saved_errno;
}

注册时常见配置：

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struct sigaction action;
action.sa_handler = reap_children;
sigemptyset(&action.sa_mask);
action.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;
sigaction(SIGCHLD, &action, NULL);

注意：处理器只能做少量异步安全操作。需要记录详细退出状态时，更易维护的方式是让专门线程使用 sigwaitinfo，或通过 self-pipe 把事件转交主事件循环。

十、多线程程序中的信号

多线程使信号语义更复杂：

• 每个线程有自己的信号掩码；
• 信号处置方式通常是进程级共享的；
• 进程定向信号可递送给任意一个未阻塞该信号的线程；
• 同步硬件异常通常递送给触发异常的线程；
• pthread_kill 可以向指定线程发送信号。

推荐模式：

1. 主线程在创建其他线程前阻塞一组业务信号；
2. 新线程继承该掩码；
3. 创建一个信号线程；
4. 信号线程用 sigwait、sigwaitinfo 或 sigtimedwait 同步等待；
5. 在线程正常上下文中处理事件。

这种模式比异步处理器更容易使用锁、日志和 C++ 对象。

示意代码：

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sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
sigaddset(&set, SIGTERM);

pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

int received = 0;
sigwait(&set, &received);

十一、将信号接入 I/O 事件循环

11.1 Self-pipe 技巧

处理器只向非阻塞管道写入一个字节，主循环通过 select、poll 或 epoll 监控管道读端，再在正常上下文处理事件。

需要处理：

• 写端设置非阻塞，防止处理器因管道满而阻塞；
• 只写固定小消息；
• 正确处理 EAGAIN；
• 主循环一次性排空管道；
• 业务状态仍需避免事件合并造成的信息丢失。

11.2 signalfd

Linux 还提供 signalfd，把已阻塞信号转换为文件描述符事件，可直接接入 epoll。

它是 Linux 专有接口，不属于 POSIX，但在 Linux 服务器事件循环中很实用。

十二、信号与定时器

alarm 以秒为单位安排一次 SIGALRM：

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unsigned int alarm(unsigned int seconds);

更现代的定时需求可考虑：

• POSIX timers；
• timerfd；
• 事件循环自身的最小堆或时间轮；
• C++ std::chrono 配合线程/事件系统。

服务器中使用 timerfd 可以把定时事件和 I/O 一起交给 epoll，通常比复杂的异步信号处理更清晰。

十三、常见误区

13.1 在处理器中打印日志

printf 不是异步信号安全函数。处理器中应只设置标志或调用经过允许的低级接口。

13.2 用 volatile 解决线程安全

volatile sig_atomic_t 适用于处理器与正常控制流之间的简单标志，不等于通用线程同步。

13.3 捕获 SIGSEGV 后继续工作

致命内存错误发生后，程序状态可能损坏。处理器最多进行极少量诊断或恢复到预先设计的安全边界，不应继续普通业务。

13.4 一个 SIGCHLD 只调用一次 waitpid

多个子进程可能同时退出，应循环执行 waitpid(-1, ..., WNOHANG) 直到没有可回收子进程。

13.5 认为阻塞等于丢弃

阻塞信号会延迟递达；忽略信号才是处置方式。普通信号在阻塞期间可能合并。

13.6 用 SIGKILL 做正常停止流程

SIGKILL 不允许程序清理资源。正常运维应先使用 SIGTERM，设置合理超时后再升级为强制终止。

十四、总结

1. 信号是由内核递送的异步事件通知，不适合传输大块数据。
2. 信号经历产生、未决、阻塞和递达几个关键状态。
3. 新代码优先使用 sigaction，而不是只依赖历史 signal 接口。
4. 信号处理器必须遵守异步信号安全规则。
5. volatile sig_atomic_t 适合简单标志，但不是通用并发同步方案。
6. SIGCHLD 处理必须循环回收所有已退出子进程。
7. 多线程服务器更适合用 sigwait、self-pipe 或 signalfd 集中处理信号。