信号是Linux操作系统中一种重要的进程间通信（IPC）机制，它不同于管道、消息队列等需要显式读写数据的通信方式，而是通过内核传递的异步通知，实现进程间的简单事件告知或行为控制，作为Linux IPC体系中最轻量级的通信手段之一，信号在系统管理、进程同步、异常处理等领域发挥着不可替代的作用。
信号的基本概念与特性
信号本质上是一个整数编号，Linux内核通过向目标进程发送特定信号，通知进程某个事件的发生，系统支持多种信号，每种信号都有预定义的含义和默认处理行为，根据POSIX标准，Linux信号可分为两类：传统信号（非实时信号）和实时信号。
传统信号编号为1-31，如SIGINT（2，键盘中断）、SIGTERM（15，终止进程）、SIGKILL（9，强制终止）等，这类信号不可靠，可能因信号处理未完成而丢失，且不支持排队——同一信号多次发送，进程可能只接收一次，实时信号编号为34-64（SIGRTMIN至SIGRTMAX），解决了传统信号的缺陷：支持信号排队，确保每个发送的信号都被处理，且可携带附加数据（通过sigqueue函数实现）。
信号的默认处理方式包括三种：进程终止（如SIGINT）、进程暂停（如SIGSTOP）、忽略（如SIGCHLD，子进程终止时父进程默认忽略），进程可通过自定义处理函数（捕获信号）或明确忽略信号（SIG_IGN）来覆盖默认行为，但SIGKILL和SIGSTOP两种信号不可被捕获或忽略，确保内核始终拥有强制控制进程的能力。
信号的发送与接收
信号的发送可通过多种方式实现，既可由内核触发（如硬件异常、系统调用），也可由其他进程主动发送。
内核触发的信号
内核在特定情况下会自动向进程发送信号，常见场景包括：
- 硬件异常：如除零操作触发SIGFPE（8），非法内存访问触发SIGSEGV（11）；
- 系统调用：如alarm函数设置的定时器到期触发SIGALRM（14），进程执行exec函数时原文件描述符未关闭触发SIGCHLD；
- 终端事件：用户输入Ctrl+C发送SIGINT，Ctrl+Z发送SIGTSTP（20，暂停进程）。
进程主动发送信号
进程可通过系统调用向其他进程或自身发送信号：
- kill函数：最基础的信号发送函数，原型为
int kill(pid_t pid, int sig)，pid参数指定目标进程：pid>0时发送给指定进程；pid=0时发送给同进程组的所有进程；pid<0时发送给进程组ID为|pid|的所有进程；pid=-1时发送给有权限发送的所有进程（除init进程外），sig参数为信号编号，若为0则不发送信号，仅用于检查进程是否存在。 - raise函数：用于进程向自身发送信号，相当于
kill(getpid(), sig)，常用于测试信号处理逻辑。 - sigqueue函数：实时信号专用函数，支持携带数据和标识符，原型为
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value)，其中union sigval可包含整数指针或浮点数，实现信号的附加信息传递，适用于需要简单数据交互的场景。
信号的接收由内核隐式处理：当内核确认目标进程可接收某信号（未阻塞且处理函数就绪）时，会在进程从内核态返回用户态的时机“注入”信号，触发相应的处理逻辑。
信号处理机制
信号处理的核心是“信号处理函数”，它定义了进程收到信号后的具体行为，Linux通过信号集、阻塞集和未决集等机制，确保信号处理的可控性和安全性。
信号处理函数的设置
进程可通过两种函数设置信号处理行为：
- signal函数：简单易用的旧接口，原型为
void (*signal(int sig, void (*handler)(int)))(int)，handler参数可指定SIG_DFL（默认处理）、SIG_IGN（忽略）或自定义处理函数（需符合void handler(int sig)签名），但该函数存在竞态条件（信号可能在设置过程中到达），且行为不可控（如被其他信号处理函数覆盖），已不推荐使用。 - sigaction函数：现代推荐的标准接口，原型为
int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact)，通过struct sigaction结构体，可精细控制信号处理行为：- sa_handler：指定处理函数（同signal函数）；
- sa_mask：信号集，用于在处理当前信号时临时屏蔽的信号（避免嵌套处理导致竞态）；
- sa_flags：控制标志，如SA_RESTART（自动重启被信号中断的系统调用）、SA_NOCLDSTOP（子进程暂停时不发送SIGCHLD）等。
信号的阻塞与未决
每个进程维护两个信号集：
- 阻塞信号集（Blocked Set）：记录被暂时屏蔽的信号，进程不会处理这些信号，即使它们已被发送，通过sigprocmask函数可修改阻塞集：
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)，how参数可为SIG_BLOCK（添加阻塞）、SIG_UNBLOCK（解除阻塞）、SIG_SETMASK（替换阻塞集）。 - 未决信号集（Pending Set）：记录已发送但尚未被处理的信号（包括被阻塞的信号），内核会实时更新未决集，当信号被解除阻塞且处理函数就绪时，内核会立即触发处理，可通过sigpending函数查看当前未决信号：
int sigpending(sigset_t *set)。
信号的“未决-阻塞”机制解决了信号处理的竞态问题：在处理共享资源时，进程可临时阻塞关键信号，完成操作后再解除阻塞，确保信号不会干扰临界区的执行。
信号的应用场景与注意事项
典型应用场景
- 进程控制：如使用SIGTERM通知进程优雅退出（先清理资源再终止），避免SIGKILL强制终止导致的数据损坏；使用SIGUSR1/SIGUSR2自定义进程间同步（如生产者-模型中通知数据就绪）。
- 异常处理：通过捕获SIGSEGV、SIGFPE等信号，实现进程的异常恢复（如记录错误堆栈后安全退出）。
- 系统管理：kill命令通过发送SIGTERM或SIGKILL控制进程，systemd等系统管理服务利用信号实现服务启停状态同步。
使用注意事项
- 异步安全性：信号处理函数必须使用异步安全函数（如write、_exit），避免调用不可重入函数（如malloc、printf），否则可能导致数据竞争或程序崩溃。
- 信号屏蔽：在处理共享资源时，务必通过sa_mask临时屏蔽相关信号，避免嵌套处理引发逻辑错误。
- 信号丢失风险：传统信号不支持排队，高频发送可能导致信号丢失；若需可靠通信，应优先使用实时信号或消息队列等IPC机制。
信号作为Linux IPC中的轻量级异步通信机制，以其高效、简单的特性，在进程通知、异常处理、系统管理等领域广泛应用，尽管存在信息量有限、传统信号不可靠等局限，但通过合理的信号处理机制（如sigaction、信号集管理）和实时信号的补充，信号仍能高效满足特定场景的通信需求，在实际应用中，需结合信号的特点和注意事项，与其他IPC机制（如管道、共享内存）协同使用，以构建健壮、高效的进程间通信体系。
