Linux 系统中的信号是一种重要的进程间通信机制，也是内核与用户进程交互的关键方式，它本质上是一种异步通知，允许内核向进程发送事件信号，告知进程某个特定事件已经发生，从而实现进程控制、异常处理和系统同步等功能，与管道、套接字等同步通信方式不同，信号无需进程主动等待，由内核在特定条件下触发，具有高效、轻量级的特点，广泛应用于系统管理和程序设计中。
信号的基本概念与特性
信号是 Linux 系统中一种“软中断”，与硬件中断类似，但由软件层面触发，每个信号都有一个唯一的整数值编号，对应特定的事件类型，编号 2 的信号 SIGINT 表示键盘中断（Ctrl+C），编号 9 的 SIGKILL 表示强制终止进程，信号具有以下核心特性：
- 异步性：信号的产生与进程的执行无关，内核可在任意时刻向进程发送信号，无需进程主动请求。
- 简洁性：信号仅携带事件类型信息，不传递复杂数据，适合通知“某事件发生”这类简单需求。
- 不可靠性（针对标准信号）：早期 Linux 的标准信号（1-31 号）存在信号丢失问题，若同一信号多次发送，进程可能仅处理一次（除非使用 sigaction 函数设置 SA_RESTART 标志）。
- 实时性（针对实时信号）： Linux 支持 34-64 号的实时信号（如 SIGRTMIN 至 SIGRTMAX），支持信号排队，确保多次发送的信号均能被处理，且携带附加数据（如信号值、用户数据）。
信号的生命周期：从产生到处理
信号的完整生命周期包括三个阶段：产生、传递、处理，每个阶段由内核和进程协同完成。
信号产生
信号的产生来源多样,主要分为四类：
- 键盘终端：用户通过终端按键触发，如 Ctrl+C 发送 SIGINT，Ctrl+Z 发送 SIGSTOP（暂停进程）。
- 系统调用：进程通过 kill 系统调用向目标进程发送信号（如 kill(pid, SIGTERM)），或通过 raise 函数向自身发送信号。
- 内核触发：进程执行非法操作时，内核自动发送信号，如访问非法内存触发 SIGSEGV（段错误），除零操作触发 SIGFPE（浮点异常）。
- 硬件异常：硬件事件（如定时器到期、非法指令）通过中断机制通知内核，内核再转换为信号发送给进程。
信号传递
内核将信号递交给目标进程的过程称为信号传递,信号处于“未决（pending）”状态，即信号已产生但尚未被处理，进程可通过 sigpending 函数查看未决信号集。
信号处理
进程对信号的处理方式由三种：
- 默认动作：内核为每个信号定义了默认处理行为，如 SIGTERM 的默认动作是终止进程，SIGSTOP 是暂停进程，SIGIGN 是忽略信号（仅 SIGKILL 和 SIGSTOP 无法忽略）。
- 忽略处理：通过
signal(SIGINT, SIG_IGN)将信号设为忽略，后续该信号将被直接丢弃。 - 自定义处理：通过
signal或sigaction函数注册信号处理函数，信号触发时执行用户自定义逻辑（如清理资源后优雅退出）。
信号的分类与常用示例
Linux 信号可分为标准信号和实时信号两大类，其中标准信号应用更为广泛，以下是部分常用标准信号及其含义：
| 信号编号 | 信号名称 | 默认动作 | 产生场景 |
|---|---|---|---|
| 2 | SIGINT | 终止 | 键盘 Ctrl+C 触发 |
| 9 | SIGKILL | 终止 | 强制终止进程（不可忽略/捕获） |
| 15 | SIGTERM | 终止 | kill 命令默认发送（可被进程捕获并清理资源） |
| 17 | SIGCHLD | 忽略 | 子进程状态改变（终止、暂停）时通知父进程 |
| 11 | SIGSEGV | 终止并 core dump | 访问非法内存地址（段错误） |
| 13 | SIGPIPE | 终止 | 向已关闭的管道或 socket 写数据 |
实时信号（34-64 号）则支持信号排队和优先级，常用于需要可靠通信的场景，如实时系统中的任务同步。
信号处理编程接口
Linux 提供了丰富的 API 用于信号处理，核心包括信号注册、信号集操作和信号发送三类。
信号注册
signal函数：简单的信号处理接口，原型为void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int)，通过handler参数指定处理函数（SIG_DFL、SIG_IGN 或自定义函数）。sigaction函数：更强大的信号处理接口，通过struct sigaction结构体设置处理函数、信号掩码、标志位（如 SA_RESTART 自动重启被信号中断的系统调用），解决了signal函数的可移植性问题。
信号集操作
信号集（sigset_t）用于批量管理信号的阻塞状态，核心函数包括：
sigemptyset：初始化空信号集。sigaddset/sigdelset：添加/删除信号集中的信号。sigprocmask：设置进程的信号掩码，阻塞或解除阻塞信号（阻塞的信号将变为未决状态，直到解除阻塞才被处理）。
信号发送
kill函数：向指定进程或进程组发送信号，需有足够权限（目标进程属主与当前用户相同或为 root）。raise函数：向当前进程发送信号，常用于进程自我终止或触发异常处理。alarm函数：设置定时器，超时后发送 SIGALRM 信号，用于实现定时任务。
信号的安全处理与最佳实践
信号处理需注意线程安全与竞态条件,避免因信号 handler 执行导致数据不一致，以下是关键实践：
- 避免在信号处理函数中调用非异步安全函数：如
malloc、printf等函数可能因锁未释放导致死锁，应使用sig_atomic_t类型变量传递简单状态，在主逻辑中处理复杂操作。 - 合理使用信号阻塞：在访问共享数据前阻塞信号，操作完成后解除阻塞，防止信号 handler 打断临界区。
- 区分信号类型：对于 SIGTERM 等可捕获信号，注册 handler 清理资源后退出；对于 SIGKILL 等不可捕获信号，无需处理，直接由内核强制终止。
- 利用 SIGCHLD 回收子进程：父进程通过注册 SIGCHLD handler 并调用
waitpid回收子进程，避免僵尸进程产生。
信号作为 Linux 系统的核心机制，以其异步、轻量的特性，在进程控制、异常处理、系统同步等方面发挥着不可替代的作用，从用户终端的按键响应到内核的异常通知，从进程间的优雅终止到实时系统的任务调度，信号贯穿了 Linux 系统的各个层面，理解信号的产生、传递与处理机制，掌握信号处理编程接口，并遵循安全实践，是高效开发和系统管理的重要基础，无论是编写健壮的后台服务，还是调试复杂的程序异常，信号都是 Linux 开发者必须精通的核心工具之一。
