Linux訊號處理機制

在Linux中，訊號是程式間通訊的一種方式，它採用的是非同步機制。當訊號傳送到某個程式中時，作業系統會中斷該程式的正常流程，並進入相應的訊號處理函式執行操作，完成後再回到中斷的地方繼續執行。

需要說明的是，訊號只是用於通知程式發生了某個事件，除了訊號本身的資訊之外，並不具備傳遞使用者資料的功能。

1 訊號的響應動作

每個訊號都有自己的響應動作，當接收到訊號時，程式會根據訊號的響應動作執行相應的操作，訊號的響應動作有以下幾種：

• 中止程式(Term)
• 忽略訊號(Ign)
• 中止程式並儲存記憶體資訊(Core)
• 停止程式(Stop)
• 繼續執行程式(Cont)

使用者可以通過signal或sigaction函式修改訊號的響應動作（也就是常說的“註冊訊號”，在文章的後面會舉例說明）。另外，在多執行緒中，各執行緒的訊號響應動作都是相同的，不能對某個執行緒設定獨立的響應動作。

2 訊號型別

Linux支援的訊號型別可以參考下面給出的列表。

2.1 在POSIX.1-1990標準中的訊號列表

注：其中SIGKILL和SIGSTOP訊號不能被捕獲、阻塞或忽略。

2.2 在SUSv2和POSIX.1-2001標準中的訊號列表

注：在Linux 2.2版本之前，SIGSYS、SIGXCPU、SIGXFSZ以及SIGBUS的預設響應動作為Term，Linux 2.4版本之後這三個訊號的預設響應動作改為Core。

2.3 其它訊號

注意：列表中有的訊號有三個值，這是因為部分訊號的值和CPU架構有關，這些訊號的值在不同架構的CPU中是不同的，三個值的排列順序為：1，Alpha/Sparc；2，x86/ARM/Others；3，MIPS。

例如SIGSTOP這個訊號，它有三種可能的值，分別是17、19、23，其中第一個值（17）是用在Alpha和Sparc架構中，第二個值（19）用在x86、ARM等其它架構中，第三個值（23）則是用在MIPS架構中的。

3 訊號機制

文章的前面提到過，訊號是非同步的，這就涉及訊號何時接收、何時處理的問題。

我們知道，函式執行在使用者態，當遇到系統呼叫、中斷或是異常的情況時，程式會進入核心態。訊號涉及到了這兩種狀態之間的轉換，過程可以先看一下下面的示意圖：

接下來圍繞示意圖，將訊號分成接收、檢測和處理三個部分，逐一講解每一步的處理流程。

3.1 訊號的接收

接收訊號的任務是由核心代理的，當核心接收到訊號後，會將其放到對應程式的訊號佇列中，同時向程式傳送一箇中斷，使其陷入核心態。

注意，此時訊號還只是在佇列中，對程式來說暫時是不知道有訊號到來的。

3.2 訊號的檢測

程式陷入核心態後，有兩種場景會對訊號進行檢測：

• 程式從核心態返回到使用者態前進行訊號檢測
• 程式在核心態中，從睡眠狀態被喚醒的時候進行訊號檢測

當發現有新訊號時，便會進入下一步，訊號的處理。

3.3 訊號的處理

訊號處理函式是執行在使用者態的，呼叫處理函式前，核心會將當前核心棧的內容備份拷貝到使用者棧上，並且修改指令暫存器（eip）將其指向訊號處理函式。

接下來程式返回到使用者態中，執行相應的訊號處理函式。

訊號處理函式執行完成後，還需要返回核心態，檢查是否還有其它訊號未處理。如果所有訊號都處理完成，就會將核心棧恢復（從使用者棧的備份拷貝回來），同時恢復指令暫存器（eip）將其指向中斷前的執行位置，最後回到使用者態繼續執行程式。

至此，一個完整的訊號處理流程便結束了，如果同時有多個訊號到達，上面的處理流程會在第2步和第3步驟間重複進行。

4 訊號的使用

4.1 傳送訊號

用於傳送訊號的函式有raise、kill、killpg、pthread_kill、tgkill、sigqueue，這幾個函式的含義和用法都大同小異，這裡主要介紹一下常用的raise和kill函式。

raise函式：向程式本身傳送訊號

函式宣告如下：

#include <signal.h>

int raise(int sig);

函式功能是向當前程式(自身)傳送訊號，其中引數sig為訊號值。

kill函式：向指定程式傳送訊號

函式宣告如下：

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

int kill(pid_t pid, int sig);

函式功能是向特定的程式傳送訊號，其中引數pid為程式號，sig為訊號值。

在這裡的引數pid，根據取值範圍不同，含義也不同，具體說明如下：

• pid > 0 ：向程式號為pid的程式傳送訊號
• pid = 0 ：向當前程式所在的程式組傳送訊號
• pid = -1 ：向所有程式(除PID=1外)傳送訊號(許可權範圍內)
• pid < -1 ：向程式組號為-pid的所有程式傳送訊號

另外，當sig值為零時，實際不傳送任何訊號，但函式返回值依然有效，可以用於檢查程式是否存在。

4.2 等待訊號被捕獲

等待訊號的過程，其實就是將當前程式(執行緒)暫停，直到有訊號發到當前程式(執行緒)上並被捕獲，函式有pause和sigsuspend。

pause函式：將程式(或執行緒)轉入睡眠狀態，直到接收到訊號

函式宣告如下：

#include <unistd.h>

int pause(void);

該函式呼叫後，呼叫者(程式或執行緒)會進入睡眠(Sleep)狀態，直到捕獲到(任意)訊號為止。該函式的返回值始終為-1，並且呼叫結束後，錯誤程式碼(errno)會被置為EINTR。

sigsuspend函式：將程式(或執行緒)轉入睡眠狀態，直到接收到特定訊號

函式宣告如下：

#include <signal.h>

int sigsuspend(const sigset_t *mask);

該函式呼叫後，會將程式的訊號掩碼臨時修改(引數mask)，然後暫停程式，直到收到符合條件的訊號為止，函式返回前會將呼叫前的訊號掩碼恢復。該函式的返回值始終為-1，並且呼叫結束後，錯誤程式碼(errno)會被置為EINTR。

4.3 修改訊號的響應動作

使用者可以自己重新定義某個訊號的處理方式，即前面提到的修改訊號的預設響應動作，也可以理解為對訊號的註冊，可以通過signal或sigaction函式進行，這裡以signal函式舉例說明。

首先看一下函式宣告：

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

第一個引數signum是訊號值，可以從前面的訊號列表中查到，第二個引數handler為處理函式，通過回撥方式在訊號觸發時呼叫。

下面為示例程式碼：

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

/* 訊號處理函式 */
void sig_callback(int signum) {
    switch (signum) {
        case SIGINT:
            /* SIGINT: Ctrl+C 按下時觸發 */
            printf("Get signal SIGINT. \r\n");
            break;
        /* 多個訊號可以放到同一個函式中進行 通過訊號值來區分 */
        default:
            /* 其它訊號 */
            printf("Unknown signal %d. \r\n", signum);
            break;
    }

    return;
}

/* 主函式 */
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("Register SIGINT(%u) Signal Action. \r\n", SIGINT);

    /* 註冊SIGINT訊號的處理函式 */
    signal(SIGINT, sig_callback);

    printf("Waitting for Signal ... \r\n");

    /* 等待訊號觸發 */
    pause();

    printf("Process Continue. \r\n");

    return 0;
}

原始檔下載：連結

例子中，將SIGINT訊號（Ctrl+C觸發）的動作接管(列印提示資訊)，程式執行後，按下Ctrl+C，命令列輸出如下：

./linux_signal_example
Register SIGINT(2) Signal Action. 
Waitting for Signal ... 
^CGet signal SIGINT. 
Process Continue.

程式收到SIGINT訊號後，觸發響應動作，將提示資訊列印出來，然後從暫停的地方繼續執行。這裡需要注意的是，因為我們修改了SIGINT訊號的響應動作（只列印資訊，不做程式退出處理），所以我們按下Ctrl+C後，程式並沒有直接退出，而是繼續執行並將"Process Continue."列印出來，直至程式正常結束。