一篇科普文章，介紹什麼是 Linux 信號，以及它的基本用法，內含精美圖表。 ...

本文是一篇科普文章，介紹什麼是 Linux 信號，以及它的基本用法。原文鏈接見底部參考。

Common sources of Linux signals

Linux中有許多處於不同狀態的進程。這些進程屬於用戶應用程式或操作系統。我們需要一種機制讓內核和這些進程協調它們的活動。其中一種方式是在一個進程有重大改變時通知其他進程，因此我們有了信號的概念。

信號基本上是一種單向通知。信號可以由內核發送給一個進程，或由一個進程發送給另一個進程，或者一個進程發送給它自己。

Linux信號的概念來源於Unix。在後來的Linux版本中，加入了實時（real-time）信號。信號是一種簡單和輕量級的進程間通信形式，因此適用於嵌入式系統。

有關信號的討論

什麼是信號？

總共有 31 個標準信號，編號為 1-31。每個信號命名為“SIG”開頭，後跟一個尾碼（如INT、HUP、KILL等）。從 2.2 版開始，Linux 內核支持 33 種不同的實時信號，編號為 32-64，但應用程式應改為使用 SIGRTMIN + n 表示法。標準信號有特定用途，但 SIGUSR1 和 SIGUSR2 的使用可以由程式自定義。實時信號也可由程式定義。

0號信號，即 POSIX.1 標準中所說的null信號，一般不使用，但在 kill 函數中有個特殊的用途。使用時沒有信號被髮送，但可以用來（相當不可靠）檢查進程是否仍然存在。

Linux中的信號實現完全符合 POSIX 標準。最新的實現應該傾向於使用 sigaction 而不是傳統的信號介面。

正如硬體子系統可以中斷處理器一樣，信號可以中斷進程的執行。因此，它們被看作是軟體中斷。一般來說，中斷處理程式(interrupt handlers)處理硬體中斷，而信號處理程式(signal handlers)則處理信號導致的中斷。

通常信號被映射到特定的按鍵輸入，比如，SIGINT代表ctrl+c，SIGSTOP代表ctrl+z，SIGQUIT代表ctrl+\。

信號如何影響進程的狀態？

一些信號會終止正在接受信號的進程：SIGHUP、SIGINT、SIGTERM、SIGKILL。有一些信號不僅可以終止進程還會輸出一些內核信息，以幫助程式員調試出錯的地方，如SIGABRT（abort）、SIGBUS（bus error）、SIGILL（illegal instruction）、SIGSEGV（invalid memory reference無效記憶體引用）、SIGSYS（bad system call錯誤的系統調用））。用於停止進程的信號有：SIGSTOP、SIGTSTP。 SIGCONT 是恢復已停止的進程。

一個程式可以覆蓋信號的預設行為。例如，一個互動式程式可以忽略SIGINT（由ctrl+c輸入產生）。不過有兩個例外需要註意，SIGKILL和SIGSTOP，它們不能被忽略、阻止或用這種方式覆蓋。

讓我們看一個父進程和其子進程的例子。假設子進程向自己發送了SIGSTOP，子進程將被停止。這反過來又會觸發SIGCHLD到父進程。然後，父進程可以使用SIGCONT向子進程發出繼續運行的信號。當子進程從停止狀態重新運行時，另一個SIGCHLD被髮送到父進程。如果後來，子進程退出了，最後的SIGCHLD會被髮送到父進程。

信號類似於異常(exception)嗎？

一些編程語言能夠使用諸如try-throw-catch這樣的結構進行異常處理。
但信號與異常並不類似。相反，失敗的系統或庫調用會返回非零的退出代碼。當一個進程被終止時，它的退出代碼是128加信號編號。例如，一個被SIGKILL殺死的進程將返回137（128+9）。

信號是同步還是非同步的？

信號既可以是同步，也可以是非同步。

同步信號的出現是由於指令導致了一個無法恢復的錯誤，如非法地址訪問。這些信號被髮送到導致它的線程。這些信號也被稱為陷阱(trap)，因為它們也會導致陷阱進入內核的陷阱處理程式(trap handler)。

非同步信號是對當前執行環境的外部信號。從另一個進程中發送 SIGKILL 就是這樣一個例子。這些也被稱為軟體中斷。

信號的生命周期是什麼？

一個信號經歷三個階段：

Generation：信號可以由內核或任何進程生成，生成後會將其發送給特定的進程。信號由其編號表示，沒有額外的數據或參數。因此，信號是輕量級的。但是，POSIX 實時信號傳遞額外的數據。可以生成信號的系統調用和函數包括 raise、kill、killpg、pthread_kill、tgkill 和 sigqueue。
Delivery：信號在傳遞之前一直處於待處理狀態。通常，內核會儘快將信號傳遞給進程。但是，如果對應的進程阻塞了信號，它將保持未處理狀態直到解除阻塞。
Processing：一旦信號被傳遞到，就會以多種方式中其中一種進行處理。每個信號都有一個預設的行為：忽略信號；或終止進程，有時使用核心轉儲(core dump)；或停止/繼續該過程。對於非預設行為，對應的處理函數會被調用。通過 sigaction 函數指定究竟採用哪一種處理方式。

什麼是信號阻塞和解除阻塞？

信號打斷了程式執行的正常流程。當進程正在執行一些關鍵代碼或更新與信號處理程式共用的數據時，這是不希望看到的。阻斷的引入解決了這個問題。不過代價是，信號處理被延遲了。

每個進程都可以指定它是否要阻塞一個特定的信號。如果被阻斷，而信號確實發生了，操作系統將把該信號作為待處理信號。一旦進程解除阻斷，該信號將被傳遞。當前被屏蔽的信號集合被稱為信號屏蔽(signal mask)。

無限期地阻斷一個信號是沒有意義的。為了這個目的，進程可以在接受到信號後選擇忽略它，被一個進程屏蔽的信號不會影響其他進程，他們可以正常接收信號。

信號屏蔽(Signal mask)可以用 sigprocmask（單線程）或 pthread_sigmask（多線程）來設置。當一個進程有多個線程時，信號可以針對每個線程分別設置是否屏蔽。信號將被傳遞給任何一個沒有阻斷它的線程。從本質上講，信號處理程式是針對某個進程的，信號掩碼是針對某個線程的。

一個進程可以有多個待處理的信號嗎？

是的，許多標準信號可以在進程中被掛起。然而，一個給定的信號類型只能有一個實例被掛起。這是因為信號的掛起和阻塞是作為位掩碼(bitmask)實現的，每個信號類型只有一個位。例如，我們可以讓 SIGALRM 和 SIGTERM 同時掛起，但我們不能有兩個 SIGALRM 信號掛起。進程將只收到一個SIGALRM信號，即使是多次拋出。

通過實時信號，信號可以和數據一起排隊，這樣每個信號的實例都可以單獨傳遞和處理。

POSIX沒有規定標準信號的傳遞順序，也沒有規定如果標準信號和實時信號都在等待中會如何處理。然而在Linux中，會優先處理標準信號。對於實時信號，編號較低的信號首先被傳遞，如果一個信號類型有很多在排隊，最早的一個會被首先傳遞。

大事記

1990 信號在 POSIX.1-1990 標準中得到了描述。可以追溯至 IEEE標準1003.1-1988。
1993 實時擴展作為 POSIX.1b 發佈。其中包含實時信號。
1999 隨著內核版本 2.2 的發佈，Linux 開始支持實時信號。
2001 POSIX.1-2001 標準中增加了更多信號：SIGBUS、SIGPOLL、SIGPROF、SIGSYS、SIGTRAP、SIGURG、SIGVTALRM、SIGXCPU、SIGXFSZ。

示例代碼

// Example shows a custom handler for SIGINT
// but the handler reverts to default action for future signals.
// Thus, first ctrl+c will allow program to continue
// and second ctrl+c will terminate the program.

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

void sig_handler1(int num)
{
	printf("You are here becoz of signal: %d\n", num);
	signal(SIGINT, SIG_DFL);
}

int main()
{
	signal(SIGINT, sig_handler1);
	while(1)
	{
		printf("Hello\n");
		sleep(2);
	}
}

參考

原文鏈接：linux-signals

【轉譯】Linux中的信號(signal)