本文详细解析了Linux信号的工作原理，包括信号的基本概念、产生方式、阻塞与递达机制，以及如何通过信号处理函数捕获信号。文章还介绍了信号在内核中的表示方式，信号集的操作函数，以及如何使用sigprocmask和sigpending管理信号屏蔽字和未决信号集。
（一）信号的基本概念
为了理解信号，先从我们最熟悉的场景说起：
用户输入命令，在Shell下启动一个前台进程。
用户按下Ctrl-C，这个键盘输入产生一个硬件中断。
如果CPU当前正在执行这个进程的代码，则该进程的用户空间代码暂停执行，CPU从用户态切换到内核态处理硬件中断。
终端驱动程序将Ctrl-C解释成一个
SIGINT信号，记在该进程的PCB中（也可以说发送了一个SIGINT信号给该进程）。当某个时刻要从内核返回到该进程的用户空间代码继续执行之前，首先处理PCB中记录的信号，发现有一个
SIGINT信号待处理，而这个信号的默认处理动作是终止进程，所以直接终止进程而不再返回它的用户空间代码执行。
用kill -l命令可以察看系统定义的信号列表。对于信号来说，它们有默认处理动作：Term表示终止当前进程，Core表示终止当前进程并且Core Dump（保存信息到硬盘），Ign表示忽略该信号，Stop表示停止当前进程，Cont表示继续执行先前停止的进程。
2）如果不想按默认动作处理信号，用户程序可以调用sigaction(2)函数告诉内核如何处理某种信号（sigaction函数稍后详细介绍），可选的处理动作有以下三种：
忽略此信号。
执行该信号的默认处理动作。
提供一个信号处理函数，要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，这种方式称为捕捉（Catch）一个信号。
(二）产生信号
1. 通过终端按键产生信号（如Ctrl-C或Ctrl-\等）。
2. 调用系统函数向进程发送信号（kill函数等）。
3. 由软件条件产生的信号（闹钟超时产生
SIGALRM信号，向读端已关闭的管道写数据时产生SIGPIPE信号等）。
(三）阻塞信号
信号在内核中的表示
实际执行信号的处理动作称为信号递达（Delivery），信号从产生到递达之间的状态，称为信号未决（Pending）。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。信号在内核中的表示可以看作是这样的：
图 33.1. 信号在内核中的表示示意图
每个信号都有两个标志位分别表示阻塞和未决，还有一个函数指针表示处理动作。信号产生时，内核在进程控制块中设置该信号的未决标志，直到信号递达才清除该标志。在上图的例子中，
SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作。
SIGINT信号产生过，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作之后再解除阻塞。
SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler。
如果在进程解除对某信号的阻塞之前这种信号产生过多次，将如何处理？POSIX.1允许系统递送该信号一次或多次。Linux是这样实现的：常规信号在递达之前产生多次只计一次，而实时信号在递达之前产生多次可以依次放在一个队列里。本章不讨论实时信号。从上图来看，每个信号只有一个bit的未决标志，非0即1，不记录该信号产生了多少次，阻塞标志也是这样表示的。因此，未决和阻塞标志可以用相同的数据类型sigset_t来存储，sigset_t称为信号集，这个类型可以表示每个信号的“有效”或“无效”状态，在阻塞信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否被阻塞，而在未决信号集中“有效”和“无效”的含义是该信号是否处于未决状态。下一节将详细介绍信号集的各种操作。阻塞信号集也叫做当前进程的信号屏蔽字（Signal Mask），这里的“屏蔽”应该理解为阻塞而不是忽略。
信号集操作函数
sigset_t类型对于每种信号用一个bit表示“有效”或“无效”状态，至于这个类型内部如何存储这些bit则依赖于系统实现，从使用者的角度是不必关心的，使用者只能调用以下函数来操作sigset_t变量，而不应该对它的内部数据做任何解释，比如用printf直接打印sigset_t变量是没有意义的。
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember(const sigset_t *set, int signo);函数sigemptyset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit清零，表示该信号集不包含任何有效信号。函数sigfillset初始化set所指向的信号集，使其中所有信号的对应bit置位，表示该信号集的有效信号包括系统支持的所有信号。注意，在使用sigset_t类型的变量之前，一定要调用sigemptyset或sigfillset做初始化，使信号集处于确定的状态。初始化sigset_t变量之后就可以在调用sigaddset和sigdelset在该信号集中添加或删除某种有效信号。这四个函数都是成功返回0，出错返回-1。sigismember是一个布尔函数，用于判断一个信号集的有效信号中是否包含某种信号，若包含则返回1，不包含则返回0，出错返回-1。
sigprocmask
调用函数sigprocmask可以读取或更改进程的信号屏蔽字。
#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset);返回值：若成功则为0，若出错则为-1
如果oset是非空指针，则读取进程的当前信号屏蔽字通过oset参数传出。如果set是非空指针，则更改进程的信号屏蔽字，参数how指示如何更改。如果oset和set都是非空指针，则先将原来的信号屏蔽字备份到oset里，然后根据set和how参数更改信号屏蔽字。假设当前的信号屏蔽字为mask，下表说明了how参数的可选值。
表 33.1. how参数的含义
SIG_BLOCK | set包含了我们希望添加到当前信号屏蔽字的信号，相当于mask=mask|set |
SIG_UNBLOCK | set包含了我们希望从当前信号屏蔽字中解除阻塞的信号，相当于mask=mask&~set |
SIG_SETMASK | 设置当前信号屏蔽字为set所指向的值，相当于mask=set |
如果调用sigprocmask解除了对当前若干个未决信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。
sigpending
#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);sigpending读取当前进程的未决信号集，通过set参数传出。调用成功则返回0，出错则返回-1。
(四)捕获信号
内核如何实现信号的捕捉
如果信号的处理动作是用户自定义函数，在信号递达时就调用这个函数，这称为捕捉信号。由于信号处理函数的代码是在用户空间的，处理过程比较复杂，举例如下：
用户程序注册了
SIGQUIT信号的处理函数sighandler。当前正在执行
main函数，这时发生中断或异常切换到内核态。在中断处理完毕后要返回用户态的
main函数之前检查到有信号SIGQUIT递达。内核决定返回用户态后不是恢复
main函数的上下文继续执行，而是执行sighandler函数，sighandler和main函数使用不同的堆栈空间，它们之间不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程。
sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态。如果没有新的信号要递达，这次再返回用户态就是恢复
main函数的上下文继续执行了。
sigaction
#include <signal.h>
int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);sigaction函数可以读取和修改与指定信号相关联的处理动作。调用成功则返回0，出错则返回-1。signo是指定信号的编号。若act指针非空，则根据act修改该信号的处理动作。若oact指针非空，则通过oact传出该信号原来的处理动作。act和oact指向sigaction结构体：
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); /* addr of signal handler, */
/* or SIG_IGN, or SIG_DFL */
sigset_t sa_mask; /* additional signals to block */
int sa_flags; /* signal options, Figure 10.16 */
/* alternate handler */
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
};将
sa_handler赋值为常数SIG_IGN传给sigaction表示忽略信号，赋值为常数SIG_DFL表示执行系统默认动作，赋值为一个函数指针表示用自定义函数捕捉信号，或者说向内核注册了一个信号处理函数，该函数返回值为void，可以带一个int参数，通过参数可以得知当前信号的编号，这样就可以用同一个函数处理多种信号。显然，这也是一个回调函数，不是被main函数调用，而是被系统所调用。
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。如果在调用信号处理函数时，除了当前信号被自动屏蔽之外，还希望自动屏蔽另外一些信号，则用
sa_mask字段说明这些需要额外屏蔽的信号，当信号处理函数返回时自动恢复原来的信号屏蔽字。
sa_flags字段包含一些选项，本章的代码都把sa_flags设为0，sa_sigaction是实时信号的处理函数，本章不详细解释这两个字段，有兴趣的读者参考[APUE2e]。
pause
#include <unistd.h>
int pause(void);
pause函数使调用进程挂起直到有信号递达。如果信号的处理动作是终止进程，则进程终止，pause函数没有机会返回；如果信号的处理动作是忽略，则进程继续处于挂起状态，pause不返回；如果信号的处理动作是捕捉，则调用了信号处理函数之后pause返回-1，errno设置为EINTR，所以pause只有出错的返回值（想想以前还学过什么函数只有出错返回值？）。错误码EINTR表示“被信号中断”。
可重入函数
当捕捉到信号时，不论进程的主控制流程当前执行到哪儿，都会先跳到信号处理函数中执行，从信号处理函数返回后再继续执行主控制流程。信号处理函数是一个单独的控制流程，因为它和主控制流程是异步的，二者不存在调用和被调用的关系，并且使用不同的堆栈空间。引入了信号处理函数使得一个进程具有多个控制流程，如果这些控制流程访问相同的全局资源（全局变量、硬件资源等），就有可能出现冲突。
如果一个函数符合以下条件之一则是不可重入的：
调用了
malloc或free，因为malloc也是用全局链表来管理堆的。调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。
sig_atomic_t类型与volatile限定符
sig_atomic_t类型提供原子操作类型。Volatile声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化（不再把变量值放入寄存器中），从而可以提供对特殊地址的稳定访问（直接访问内存）。
sig_atomic_t类型的变量应该总是加上volatile限定符，因为要使用sig_atomic_t类型的理由也正是要加volatile限定符的理由.
竞态条件与sigsuspend函数
由于异步事件在任何时候都有可能发生（这里的异步事件指出现更高优先级的进程），如果我们写程序时考虑不周密，就可能由于时序问题而导致错误，这叫做竞态条件（Race Condition）。
要是“解除信号屏蔽”和“挂起等待信号”这两步能合并成一个原子操作就好了，这正是
sigsuspend函数的功能。sigsuspend包含了pause的挂起等待功能，同时解决了竞态条件的问题，在对时序要求严格的场合下都应该调用sigsuspend而不是pause。
#include <signal.h>
int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);和pause一样，sigsuspend没有成功返回值，只有执行了一个信号处理函数之后sigsuspend才返回，返回值为-1，errno设置为EINTR。调用sigsuspend时，进程的信号屏蔽字由sigmask参数指定，可以通过指定sigmask来临时解除对某个信号的屏蔽，然后挂起等待，当sigsuspend返回时，进程的信号屏蔽字恢复为原来的值，如果原来对该信号是屏蔽的，从sigsuspend返回后仍然是屏蔽的。
关于SIGCHLD信号
进程一章讲过用
wait和waitpid函数清理僵尸进程，父进程可以阻塞等待子进程结束，也可以非阻塞地查询是否有子进程结束等待清理（也就是轮询的方式）。采用第一种方式，父进程阻塞了就不能处理自己的工作了；采用第二种方式，父进程在处理自己的工作的同时还要记得时不时地轮询一下，程序实现复杂。其实，子进程在终止时会给父进程发
SIGCHLD信号，该信号的默认处理动作是忽略，父进程可以自定义SIGCHLD信号的处理函数，这样父进程只需专心处理自己的工作，不必关心子进程了，子进程终止时会通知父进程，父进程在信号处理函数中调用wait清理子进程即可。
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