DAY 9-信号机制

Linux 信号机制完全指南

---

一、信号的本质

什么是信号？

信号是 Linux 下的一种软中断机制，用于异步通知进程发生了某个事件。

类比：信号就像老师上课时给你使个眼色——告诉你"待会有事"，但你不用立刻停下正在做的事，等一个合适的时机（比如下课后）再去处理。

概念	说明
软中断	不是硬件中断，是软件层面模拟的中断
异步通知	信号产生的时间是随机的，进程无法预知
紧急程度	比普通函数调用更紧急，会打断当前执行流

---

二、信号的四大产生方式

方式	示例	产生的信号
① 键盘输入	Ctrl+C	SIGINT (2)
	Ctrl+\	SIGQUIT (3)
	Ctrl+Z	SIGTSTP (20)
② 命令/函数	kill -9 PID	SIGKILL (9)
	kill -15 PID	SIGTERM (15)
	raise(SIGSTOP)	任意信号
③ 硬件异常	除 0	SIGFPE (8)
	段错误（访问空指针）	SIGSEGV (11)
	非法指令	SIGILL (4)
④ 软件条件	alarm(5) 定时到	SIGALRM (14)
	写已关闭的管道	SIGPIPE (13)
	子进程退出	SIGCHLD (17)

---

三、信号的处理时机（重点！）

信号产生后立刻处理吗？

不是！ 信号处理有延迟。

具体时机

用户态 ──────────────► 内核态 ──────────────► 用户态
                          │
                          ▼
                   检查待处理信号
                          │
                          ▼
              有信号？→ 执行信号处理函数
                          │
                          ▼
                    恢复用户态执行

核心原则：信号在进程从内核态返回用户态之前被检查和处理。

为什么这样设计？

1. 安全：内核态不能执行用户态代码（信号处理函数属于用户态代码）
2. 及时性：系统调用返回、中断处理完成、进程调度切换时都会检查

被阻塞的信号怎么办？

// 使用 sigprocmask 阻塞信号后，信号被挂起
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

// 解除阻塞后，信号才会被处理
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);

---

四、可重入函数（高频面试题）

什么是可重入函数？

定义：一个函数可以在执行过程中被中断，并在中断返回后安全地再次执行，而不会导致数据损坏或逻辑错误。

可重入函数的条件

条件	说明
✅ 不修改静态/全局变量	只使用局部变量（在栈上分配）
✅ 不调用 malloc/free	堆操作可能被中断
✅ 不调用标准 I/O（printf/scanf）	使用全局缓冲区
✅ 不调用非可重入函数	链式传染

典型的不可重入函数

// ❌ 不可重入：使用了全局变量
int global = 0;
int func() {
    global++;  // 被中断时 global 处于中间状态
    return global;
}

// ❌ 不可重入：printf 使用全局缓冲区
printf("hello");  // 中断时可能正在写入缓冲区

// ❌ 不可重入：malloc 操作全局堆链表
malloc(100);  // 中断时堆结构可能不完整

✅ 可重入函数示例

// ✅ 可重入：只用局部变量
int func(int a, int b) {
    int c = a + b;
    return c;
}

// ✅ 可重入：只读取全局变量（不修改）
int func() {
    return global_readonly;  // 只读是安全的
}

---

五、中断中为什么不能用 printf？

❌ 中断服务函数中能否用 printf？为什么？

不能！ 原因有三：

原因	详细说明
① 不可重入	printf 使用全局缓冲区，中断发生时主程序可能正在执行 printf，再次调用会导致缓冲区状态错乱
② 可能阻塞	printf 需要写终端，可能等待 I/O 完成，中断上下文不能阻塞
③ 浮点运算	printf 格式化浮点数时可能触发浮点协程操作，中断中禁用浮点

✅ 中断中应该做什么？

void interrupt_handler() {
    // 1. 清中断标志
    clear_interrupt_flag();
    
    // 2. 读取硬件状态（只读寄存器）
    int status = read_hardware_status();
    
    // 3. 记录状态到共享变量
    g_interrupt_flag = 1;
    
    // 4. 触发下半部（软中断/tasklet/工作队列）
    schedule_work(&work);
}

---

六、常用信号速查表

信号名	编号	产生方式	默认动作	能否捕获
SIGINT	2	Ctrl+C	终止	✅
SIGQUIT	3	Ctrl+\	终止 + core	✅
SIGILL	4	非法指令	终止 + core	✅
SIGTRAP	5	断点/调试	终止 + core	✅
SIGFPE	8	除 0/浮点异常	终止 + core	✅
SIGKILL	9	kill -9	终止	❌ 不可捕获
SIGSEGV	11	段错误（空指针）	终止 + core	✅
SIGPIPE	13	写已关闭管道	终止	✅
SIGALRM	14	alarm 定时到	终止	✅
SIGTERM	15	kill（默认）	终止	✅
SIGCHLD	17	子进程退出/暂停	忽略	✅
SIGSTOP	19	Ctrl+Z 或 kill	暂停进程	❌ 不可捕获
SIGCONT	18	继续暂停的进程	继续	✅

---

七、SIGKILL vs SIGTERM（必考）

对比项	SIGKILL (9)	SIGTERM (15)
可否捕获	❌ 不可捕获	✅ 可捕获
可否忽略	❌ 不可忽略	✅ 可忽略
默认动作	立即终止	终止
能否清理资源	❌ 不能	✅ 可以（在信号处理函数中）
使用场景	强制杀死	优雅退出

生产环境最佳实践

// 1. 先发 SIGTERM，让进程优雅退出
kill(pid, SIGTERM);

// 2. 等待 3 秒，如果进程还在，再发 SIGKILL
sleep(3);
kill(pid, SIGKILL);

// 进程端：捕获 SIGTERM，清理资源
void sigterm_handler(int sig) {
    // 关闭文件描述符
    close(fd);
    // 释放内存
    free(buffer);
    // 通知其他进程
    notify_others();
    // 退出
    exit(0);
}

signal(SIGTERM, sigterm_handler);

---

八、信号处理函数相关 API

1. signal() — 最简单的注册方式

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

// 示例
void handler(int sig) {
    printf("收到信号: %d\n", sig);
}
signal(SIGINT, handler);

2. sigaction() — 更强大的注册方式

#include <signal.h>
struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);      // 处理函数
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void*);  // 扩展版
    sigset_t sa_mask;             // 处理时阻塞的信号
    int sa_flags;                 // 标志位
};

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

3. sigprocmask() — 信号屏蔽

#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

// how 参数：
// SIG_BLOCK   - 将 set 中的信号加入阻塞集
// SIG_UNBLOCK - 将 set 中的信号从阻塞集移除
// SIG_SETMASK - 将阻塞集设为 set

// 示例：屏蔽 SIGINT
sigset_t set, oldset;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset);
// ... 临界区代码 ...
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldset, NULL);  // 恢复

4. kill() — 发送信号

#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

// 示例
kill(1234, SIGTERM);   // 向 PID 1234 发送 SIGTERM
kill(0, SIGINT);       // 向当前进程组所有进程发送
kill(getpid(), SIGUSR1); // 向自己发送 SIGUSR1

5. alarm() — 定时发送 SIGALRM

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

// 示例：5 秒后收到 SIGALRM
alarm(5);

---

九、常见信号处理场景

1. 忽略 SIGPIPE（防止程序退出）

// 网络编程中，写已关闭的 socket 会收到 SIGPIPE
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);  // 忽略，写操作返回 -1，errno = EPIPE

2. 子进程退出不产生僵尸进程

// 方式1：忽略 SIGCHLD
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 子进程退出后由内核自动回收

// 方式2：捕获 SIGCHLD，调用 wait
void sigchld_handler(int sig) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) {
        // 循环回收所有已退出的子进程
    }
}
signal(SIGCHLD, sigchld_handler);

3. 超时功能（alarm + SIGALRM）

void alarm_handler(int sig) {
    printf("超时了！\n");
    // 做超时处理
}

signal(SIGALRM, alarm_handler);
alarm(5);  // 5 秒后超时

---

十、信号机制的局限性

问题	说明
不可靠信号	signal() 在不同系统行为不一致，建议用 sigaction()
信号丢失	相同信号多次产生，可能只处理一次
系统调用中断	信号可能打断系统调用，需处理 EINTR
线程间信号	信号是进程级，多线程时信号发给任意线程

处理 EINTR

ssize_t ret;
do {
    ret = read(fd, buf, size);
} while (ret == -1 && errno == EINTR);  // 被信号中断则重试

---

汇总

题目	答案要点
信号是什么？	软中断，异步通知机制
信号产生方式？	键盘、kill、硬件异常、软件条件
信号处理时机？	内核态返回用户态前检查
什么是可重入函数？	可被中断并安全再次调用
printf 为什么不能用在信号处理函数中？	不可重入、可能阻塞、可能引发浮点运算
SIGKILL 和 SIGTERM 区别？	SIGKILL 不可捕获，SIGTERM 可捕获
如何优雅退出进程？	先 SIGTERM，超时再 SIGKILL
僵尸进程如何避免？	忽略 SIGCHLD 或捕获并 wait
alarm() 有什么作用？	定时发送 SIGALRM，可用于超时检测

---

🎯 总结

信号是 Linux 下重要的异步通知机制，掌握产生方式、处理时机、可重入性是面试高频考点。记住：

信号处理函数中只做最轻量、最安全的操作：设置标志位、记录状态、触发下半部。