Linux进程间通信（1）- 信号(signal)机制

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本文深入解析Linux中的信号机制，涵盖信号的基本概念、处理方式及应用，包括如何使用signal和kill函数进行信号处理与发送，以及如何利用信号进行进程间的通信。

1 概述
Linux和类Linux系统下进程间通信(Inter-Process Communication, IPC)有很多种方式，包括套接字(socket)，共享内存(shared memory)，管道(pipe)，消息队列(message queue)等[1]，各自有各自的一些应用场景和用途，这次就来总结一下通过信号(signal)的机制。

信号，是Linux中向进程发送的消息，接收到该信号的进程会相应地采取一些行动，即通过软中断的方式来响应这个信号，触发一些事先指定或特定的事件。进程之间可以互相通过系统调用kill来发送信号，内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某件事件[2]。

2 signal的系统api使用
2.1 响应信号
程序可以用signal库函数来处理信号，它的定义如下：

#include <signal.h>
void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

这个定义表示，signal是一个带有sig和func两个参数的函数，其中func是一个函数指针，指向的函数带有1个int类型参数且无返回值，signal函数返回值也是一个带有1个int类型参数且无返回值的函数指针。signal函数作用是绑定信号值为sig的信号的响应时间为func指向的函数，即当捕获到sig信号时，调用func指向的函数(可称为信号处理函数)，另外func也可以用下面两个特殊值之一来代替信号处理函数：

    SIG_IGN    忽略信号
    SIG_DFL    恢复默认行为

编写一个示例程序C代码：

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

void handler(int sig) {
    printf("this signal no. is %d\n", sig);
    printf("Restore to default.\n");
    signal(sig, SIG_DFL);
}

int main(int argc, char **argv) {
    int sleep_sec = 1;
    int count = 1;
    signal(SIGINT , handler);
    while(1) {
        printf("waiting signal %d secs.\n", count);
        sleep(sleep_sec);
        count += 1;
    }
    return 0;
}

编译运行：

可以发现，当我们按Ctrl+C时，操作系统会给该程序发送信号值为2的信号，其实是SIGINT信号，在main函数中，设定捕获SIGINT信号时，去执行handler函数。正常情况下，程序进行不断的sleep和printf循环，当收到SIGINT信号时，会发生软件中断，保存现场，然后转而去执行信号处理函数，这里也就是handler，执行完后，回到现场，继续执行中断时的后续代码。

在handler信号处理函数里，我们使用了SIG_DFL的值来进行重绑定，于是下一次我们通过键盘按Ctrl+C时，它就中断去执行默认的信号处理函数而不是handler了，于是就退出程序了。

signal函数返回的是先前对指定信号进行处理的信号处理函数的函数指针，如果未定义信号处理函数，则返回SIG_ERR并设置errno为一个正数值，如果给出的是一个无效的信号，或者尝试处理的信号是不可捕获或不可忽略的信号(如SIGKILL)，errno将被设置为EINVAL。

这里需要注意两点：

不同版本的UNIX/LINUX系统，对信号处理方式上有些不同，比如有的是执行完信号处理函数后，自动的将对应的信号的处理函数恢复到默认，而有的不是，所以这里我们希望恢复到默认，最好的方法就是自己写出恢复默认的代码；
信号的值，会因为系统的不同而不同，比如我们这个系统的SIGINT的值是2，可能其他的就不一定
信号的名称是在头文件signal.h中定义的，它们以SIG开头，比如下表：

信号名称	说明
SIGABORT	*进程异常终止
SIGALRM	超时警告
SIGFPE	*浮点运算异常
SIGHUP	连接挂断
SIGILL	*非法指令
SIGINT	终端中断
SIGKILL	终止进程(此信号不能被捕获或忽略)
SIGPIPE	向无读进程的管道写数据
SIGQUIT	终端退出
SIGSEGV	*无效内存段访问
SIGTERM	终止
SIGUSER1	用户定义信号1
SIGUSER2	用户定义信号2

其中带*的信号，系统对该信号的响应视具体实现而定。如果进程接收到上表信号中的任何一个，但事先没有安排捕获它，进程将会立刻终止。通常，系统将会生成core文件，放在当前目录下，该文件是进程在内存中的映像，对程序调试很有用处。当然，系统还有很多其他的信号，比如后文所述，可以通过 kill -l 来查看可发送的信号。

2.2 发送信号
进程可以通过调用kill函数向包括它本身在内的其他进程发送一个信号。如果程序没有权限，kill函数会调用失败，失败的常见原因是目标进程由另一个用户所拥有，这个函数跟shell同名命令kill的功能完全一样，定义如下：

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

kill函数中，pid表示要发送信号到达的目标进程的进程id，sig为发送的信号值。

成功时，返回0。失败时，返回-1，并设置 errno变量，errno值包括以下情况：

    errno = EINVAL     给定的信号无效
    errno = EPERM      发送进程权限不够
    errno = ESRCH      目标进程不存在

Linux信号机制向我们提供了一个有用的闹钟功能，进程可以通过调用alarm函数在经过预定时间后发送一个SIGALRM信号:

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

alarm函数用来在seconds秒之后安排发送一个SIGALRM信号，但由于处理的延时和时间调度的不确定性，实际闹钟时间比预先安排的要稍微拖后一点儿。如果把参数设置为0，则取消所有已设置的闹钟请求。

还有另外一个有用的信号函数：

#include <unistd.h>

int pause(void);

它的作用很简单，就是把程序的执行挂起直到有一个信号出现为止，才会继续运行它下面的代码。
这个函数很有用，因为有时我们需要等待某个信号的发生，使用它便意味着程序不需要总是在执行，浪费CPU资源，对系统性能造成极大的影响。

对于信号机制的使用值得一提的是：如果信号出现在系统调用的执行过程中，可能有些系统调用会失败，大多数情况是一些比较慢得调用，比如从终端读数据，如果在这个系统调用等待数据时出现一个信号，它就会返回一个错误。工程实践中使用时，要十分注意和周全考虑。

其实上面介绍的传统UNIX编程中的signal和其相关函数，X/Open和UNIX规范推荐了一个更新更健壮的信号编程接口: sigaction，定义如下：

#include <signal.h>

int sigaction(int sig, const struct sigaction* act, struct sigaction *oact);

3 Linux系统命令使用
想要给一个进程发送信号，而该进程并不是当前的前台进程，就需要使用kill命令[4]，它需要一个可选的信号代码，和一个进程ID，例如给PID为520的进程发送挂断信号(SIGHUP)，使用如下命令：

    命令格式：kill [参数] [进程号]
    例如：
    kill -HUP 520

如果没有指定信号代码或值，则默认情况下，采用编号为15的TERM信号。TERM信号将终止所有不能捕获该信号的进程。对于那些可以捕获该信号的进程就要用编号为9的kill信号，强行“杀掉”该进程。

    命令参数：
    -l  信号，如果不加信号的编号参数，则使用“-l”参数会列出全部的信号名称
    -a  当处理当前进程时，不限制命令名和进程号的对应关系
    -p  指定kill 命令只打印相关进程的进程号，而不发送任何信号
    -s  指定发送信号
    -u  指定用户

比如可以使用-l参数列出所有支持的信号和他们的值：

kill命令有一个变体，即killall，它可以给运行着某一命令的所有进程发送信号，一般的Linux系统都会有这个命令，如果不知道某进程的pid，或者想给执行相同命名的许多不同的进程发送信号，这条命令就很有用了，一重常用的做法是，通知inetd程序重新读取它的配置选项[1]: