Linux信号阻塞是什么？如何实现与使用？

Linux 信号机制概述

在Linux操作系统中，信号（Signal）是一种异步通信机制，用于通知进程某个事件已经发生，信号起源于Unix系统，最初设计用于处理异常情况（如非法内存访问），后来逐渐扩展为进程间通信（IPC）和事件通知的重要手段，信号的本质是软件中断，它允许内核或一个进程向另一个进程发送预定义的消息，接收方可以根据信号的类型采取不同的处理方式，如默认处理、自定义处理或忽略，信号机制的设计简洁而高效，成为Linux/Unix系统编程中不可或缺的一部分。

信号的分类与特性

Linux系统定义了多种信号，每种信号都有唯一的编号和名称，这些信号在<signal.h>头文件中声明，常见的信号包括：

• SIGINT（2）：由终端发送的中断信号（如Ctrl+C），默认终止进程。
• SIGKILL（9）：强制终止信号，不可被捕获或忽略。
• SIGSTOP（17/19/23）：暂停进程执行，不可被忽略。
• SIGCHLD（17）：子进程状态改变时发送给父进程。
• SIGALRM（14）：由定时器触发，用于超时处理。

信号可分为两大类：可靠信号（支持排队，如SIGRTMIN至SIGRTMAX）和不可靠信号（不支持排队，可能丢失，如传统信号），信号的处理方式分为三种：

1. 默认处理：内核根据信号类型执行预设操作（如终止、暂停、忽略）。
2. 捕获处理：进程通过注册信号处理函数（signal()或sigaction()）自定义响应。
3. 忽略信号：进程选择不处理该信号（但SIGKILL和SIGSTOP不可忽略）。

信号的发送与传递

信号的发送可以通过多种方式实现：

• 内核触发：如硬件异常（除零错误）、定时器到期（SIGALRM）或子进程状态变化（SIGCHLD）。
• 命令行工具：如kill命令发送指定信号（默认为SIGTERM），kill -9发送SIGKILL强制终止进程。
• 系统调用：kill()函数向指定进程或进程组发送信号；raise()函数向当前进程发送信号；alarm()设置定时器触发SIGALRM。

信号的传递是异步的，即进程无需主动轮询信号，内核会在事件发生时中断当前执行流程，将信号递交给目标进程，如果进程正在执行系统调用，信号可能导致系统调用被中断（返回-1并设置errno为EINTR）。

信号阻塞机制详解

信号阻塞（Signal Blocking）是Linux信号管理中的核心机制，用于控制信号是否被立即处理，阻塞并非丢弃信号，而是将其暂存到进程的信号掩码（signal mask）中，直到解除阻塞或处理完毕。

信号掩码与sigprocmask

每个进程维护一个信号掩码，它是一个位图，用于标识哪些信号被阻塞，通过sigprocmask()函数，进程可以修改掩码：

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);  

• SIG_BLOCK：将set中的信号添加到当前掩码（阻塞新增信号）。
• SIG_UNBLOCK：从掩码中移除set中的信号（解除阻塞）。
• SIG_SETMASK：直接用set替换当前掩码。

阻塞SIGINT和SIGTERM：

sigset_t mask;  
sigemptyset(&mask);  
sigaddset(&mask, SIGINT);  
sigaddset(&mask, SIGTERM);  
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  

信号的排队与pending掩码

内核为每个进程维护一个待处理信号集（pending set），记录已发送但未处理的信号，当进程阻塞某个信号时，该信号会被加入pending集，直到解除阻塞，如果同一信号多次发送且未被阻塞，可靠信号会排队，而不可靠信号仅保留一个实例。

通过sigpending()函数可以查询pending信号集：

int sigpending(sigset_t *set);  

sigsuspend与原子性操作

在需要临时解除阻塞并等待信号的场景中，sigsuspend()提供了一种原子性操作：

int sigsuspend(const sigset_t *mask);  

它会临时用mask替换当前信号掩码，并使进程挂起，直到收到未阻塞的信号，恢复时，掩码会自动恢复为调用前的状态，这种机制避免了信号竞态条件（如解除阻塞与信号到达之间的时间窗口）。

信号处理函数的安全性与SA_RESTART

信号处理函数需要遵循以下规则：

• 可重入性：避免使用非异步安全函数（如malloc、printf），防止数据竞争。
• 全局变量保护：若需访问共享数据，应使用sigaction()的SA_SIGINFO标志和sa_sigaction处理函数，并通过sigprocmask()临时阻塞信号。
• SA_RESTART标志：在sigaction()中设置该标志，可使被信号中断的系统调用自动重启（如read、write）。

信号阻塞的实际应用

信号阻塞在多进程编程和实时系统中具有重要意义：

1. 临界区保护：在访问共享资源（如文件、全局变量）时，阻塞信号可防止处理函数中断导致数据不一致，父进程在fork子进程前阻塞SIGCHLD，避免竞争条件。

2. 信号处理函数的嵌套：通过阻塞信号，可避免信号处理函数被重复触发，导致栈溢出或逻辑混乱。

3. 实时系统：高优先级进程可通过阻塞低优先级信号，确保关键任务的实时性。

Linux信号机制为进程提供了灵活的异步通信能力，而信号阻塞则是管理信号传递的关键工具，通过信号掩码、pending集和原子性操作（如sigsuspend），开发者可以精细控制信号的处理时机，确保程序的安全性和可靠性，理解信号的发送、传递和阻塞机制，对于编写健壮的Linux/Unix应用程序至关重要，尤其是在多进程、多线程和实时系统中,合理运用信号阻塞能有效避免竞态条件和资源竞争问题。