Linux信号的诞生与归宿：内核如何管理信号的生成、阻塞和递达？

最新推荐文章于 2025-12-16 17:06:35 发布

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Linux信号机制是进程间通信（IPC）的核心手段之一，其设计结合了异步事件通知与进程行为控制。以下从信号的生命周期出发，解析内核对信号的生成、阻塞和递达的全流程管理。

信号的生成源于多种场景，内核通过以下方式触发信号：

硬件异常
当进程执行非法操作（如除零、非法内存访问）时，硬件（如CPU、MMU）产生异常，内核将其转换为信号。例如：
- SIGFPE：浮点运算错误（如除零）。
- SIGSEGV：无效内存访问。
终端输入
用户通过终端快捷键发送信号：
- SIGINT（Ctrl+C）：终止前台进程。
- SIGQUIT（Ctrl+\）：终止进程并生成核心转储。
- SIGTSTP（Ctrl+Z）：暂停进程。
系统调用
进程通过函数主动发送或触发信号：
- kill()：向指定进程发送信号。
- raise()：向自身发送信号。
- alarm()：设置定时器，超时后发送SIGALRM。
软件条件
程序逻辑触发信号，如：
- abort()：发送SIGABRT终止进程。
- 文件锁超时、线程取消等场景。

内核通过task_struct进程描述符管理信号，核心字段包括：

未决信号集（pending）
- 位图（sigset_t）：记录普通信号（1-31号）的未决状态。
- 队列：实时信号（34-64号）通过队列存储，避免丢失。
阻塞信号集（blocked）
- 位图（sigset_t）：标记当前被阻塞的信号，称为信号屏蔽字。
信号处理表（handler）
- 存储每个信号的默认动作或用户自定义处理函数指针。

信号状态流转：

进程通过信号屏蔽字（blocked）控制信号的递达时机：

阻塞操作
使用sigprocmask()设置blocked位图：

sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL); // 添加信号到阻塞集
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL); // 从阻塞集移除信号

信号集操作函数
- sigemptyset()：清空信号集。
- sigaddset()/sigdelset()：添加/删除特定信号。
- sigismember()：检查信号是否在集中。

信号递达是内核将未决信号传递给进程的过程，分为以下阶段：

检查未决信号
内核在以下时机检查pending集：
- 进程从内核态返回用户态前：通过TIF_SIGPENDING标志判断是否有未决信号。
- 优先级信号（如SIGKILL）：即使进程未运行，内核也会立即唤醒并递达。
信号递达顺序
- 同步信号优先：由硬件异常产生的信号（如SIGSEGV）优先处理。
- 普通信号按编号递达：同一类型信号可能合并（普通信号），实时信号按队列顺序递达。
信号处理流程
- 默认动作：如终止进程（SIGTERM）、暂停（SIGSTOP）、生成核心转储（SIGSEGV）。
- 自定义处理函数：通过sigaction()注册，执行时内核切换至用户态堆栈。
- 忽略信号：进程可显式忽略信号（如SIG_IGN）。

系统调用重启
若进程在阻塞的系统调用（如read()）中被信号中断，可通过SA_RESTART标志使调用自动重启。
线程与进程作用域
- 信号可发送给进程或特定线程，但处理方式（如忽略）通常作用于整个进程。
- 线程私有信号队列仅由线程自身处理，进程队列信号由任意线程处理。
核心转储
特定信号（如SIGQUIT、SIGABRT）触发核心转储，需通过ulimit -c配置转储文件大小。