嵌入式Linux：信號是什么？

信號是Linux系統(tǒng)中用于通知進(jìn)程事件發(fā)生的一種機(jī)制，可以將其視為一種軟件中斷。

信號類似于硬件中斷，能夠打斷進(jìn)程當(dāng)前的執(zhí)行流程，從而實(shí)現(xiàn)對中斷機(jī)制的一種軟件層面的模擬。信號的主要作用是處理異步事件，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，信號的到達(dá)時(shí)間是不可預(yù)測的。

信號的一個(gè)主要目的是用于進(jìn)程間的通信。具有合適權(quán)限的進(jìn)程可以向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信號，這種用法不僅可以用作一種同步技術(shù)，還可以視為進(jìn)程間通信（IPC）的最基礎(chǔ)形式。

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信號的來源

信號可以由多種情況觸發(fā)，以下是常見的幾種信號來源：

硬件異常

硬件檢測到錯誤條件并通知內(nèi)核，內(nèi)核隨即發(fā)送相應(yīng)的信號給相關(guān)進(jìn)程。例如，當(dāng)執(zhí)行除數(shù)為零、訪問越界的內(nèi)存等異常操作時(shí)，硬件會捕捉到這些錯誤并通知內(nèi)核，內(nèi)核則向相關(guān)進(jìn)程發(fā)送信號，如SIGFPE（浮點(diǎn)異常）或SIGSEGV（非法內(nèi)存訪問）。

終端輸入特殊字符

用戶通過終端輸入特定的控制字符可以產(chǎn)生信號。例如，按下CTRL + C組合鍵會產(chǎn)生SIGINT（中斷信號），可以終止前臺運(yùn)行的進(jìn)程；按下CTRL + Z會產(chǎn)生SIGTSTP（暫停信號），可暫停當(dāng)前前臺運(yùn)行的進(jìn)程。

進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用

進(jìn)程可以通過kill()系統(tǒng)調(diào)用向另一個(gè)進(jìn)程或進(jìn)程組發(fā)送信號。為了確保系統(tǒng)安全，發(fā)送信號的進(jìn)程和接收信號的進(jìn)程通常需要具有相同的所有者，或者發(fā)送信號的進(jìn)程的所有者是root超級用戶。

用戶命令

用戶可以通過kill命令向其它進(jìn)程發(fā)送信號。雖然kill命令的名稱聽起來像是用來“殺死”進(jìn)程，但實(shí)際上它可以發(fā)送任意信號。例如，kill -9 PID會向進(jìn)程發(fā)送SIGKILL信號，強(qiáng)制終止指定進(jìn)程。

軟件事件

軟件檢測到特定條件發(fā)生時(shí)也會產(chǎn)生信號。這些條件可能包括：進(jìn)程設(shè)置的定時(shí)器到期、進(jìn)程使用的CPU時(shí)間超限、子進(jìn)程退出等。這些信號通常由內(nèi)核觸發(fā)并發(fā)送給相關(guān)進(jìn)程。

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信號的處理方式

當(dāng)信號到達(dá)進(jìn)程時(shí)，進(jìn)程需要對該信號進(jìn)行處理。通常，進(jìn)程對信號的處理方式有以下幾種：

忽略信號

進(jìn)程可以選擇忽略某些信號，使其不對進(jìn)程的執(zhí)行產(chǎn)生影響。然而，有兩種信號SIGKILL和SIGSTOP是無法被忽略的，因?yàn)樗鼈兲峁┝私K止或停止進(jìn)程的可靠方法。如果進(jìn)程忽略某些由硬件異常產(chǎn)生的信號，其行為可能是未定義的。

捕獲信號

進(jìn)程可以捕獲并處理信號，通過預(yù)先定義的信號處理函數(shù)來響應(yīng)特定的信號。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，進(jìn)程需要通過signal()或sigaction()系統(tǒng)調(diào)用來注冊信號處理函數(shù)，當(dāng)信號發(fā)生時(shí)，該函數(shù)將被執(zhí)行以處理相應(yīng)的事件。

執(zhí)行系統(tǒng)默認(rèn)操作

如果進(jìn)程沒有捕獲信號，系統(tǒng)會對信號進(jìn)行默認(rèn)處理。對于大多數(shù)信號，系統(tǒng)默認(rèn)的處理方式是終止進(jìn)程。然而，也有些信號的默認(rèn)處理方式是忽略。

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信號的異步性

信號是異步事件的經(jīng)典實(shí)例。信號的產(chǎn)生對進(jìn)程而言是隨機(jī)的，進(jìn)程無法預(yù)測信號到達(dá)的具體時(shí)間。這種異步性與硬件中斷非常相似。進(jìn)程無法通過簡單的變量測試或系統(tǒng)調(diào)用判斷信號是否產(chǎn)生，只有當(dāng)信號實(shí)際發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)才會通知進(jìn)程，打斷當(dāng)前執(zhí)行流程，跳轉(zhuǎn)到信號處理函數(shù)去執(zhí)行相應(yīng)操作。

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信號編號

在Linux系統(tǒng)中，信號本質(zhì)上是int類型的數(shù)字編號，類似于硬件中斷所對應(yīng)的中斷號。內(nèi)核為每一個(gè)信號定義了一個(gè)唯一的整數(shù)編號，這些編號從數(shù)字1開始依次展開。每個(gè)信號都有一個(gè)對應(yīng)的名字，這個(gè)名字實(shí)際上是一個(gè)宏，通常以SIGxxx的形式出現(xiàn)，例如SIGINT、SIGKILL等。

信號的整數(shù)編號與其符號名之間是一一對應(yīng)的關(guān)系，但由于不同操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可能存在差異，某些信號的實(shí)際編號在不同系統(tǒng)中可能會有所不同。為了提高程序的可移植性，在編寫代碼時(shí)，開發(fā)者通常使用信號的符號名而不是直接使用編號。例如，在程序中使用SIGINT來表示中斷信號，而不是直接使用數(shù)字2（在大多數(shù)系統(tǒng)中，SIGINT的編號為2）。

信號的定義可以在或頭文件中找到，這些文件中定義了所有標(biāo)準(zhǔn)信號的編號和名稱。

需要注意，信號編號從1開始，而編號為0的信號在標(biāo)準(zhǔn)定義中并不存在。

#define SIGHUP      1  /* 掛斷 (POSIX). */#define SIGINT      2  /* 中斷 (ANSI). */#define SIGQUIT     3  /* 退出 (POSIX). */#define SIGILL      4  /* 非法指令 (ANSI). */#define SIGTRAP     5  /* 跟蹤陷阱 (POSIX). */#define SIGABRT     6  /* 異常終止 (ANSI). */#define SIGIOT      6  /* IOT 陷阱 (4.2 BSD). */#define SIGBUS      7  /* 總線錯誤 (4.2 BSD). */#define SIGFPE      8  /* 浮點(diǎn)異常 (ANSI). */#define SIGKILL     9  /* 終止，無法阻塞 (POSIX). */#define SIGUSR1    10  /* 用戶自定義信號 1 (POSIX). */#define SIGSEGV    11  /* 段錯誤 (ANSI). */#define SIGUSR2    12  /* 用戶自定義信號 2 (POSIX). */#define SIGPIPE    13  /* 管道破裂 (POSIX). */#define SIGALRM    14  /* 鬧鐘信號 (POSIX). */#define SIGTERM    15  /* 終止 (ANSI). */#define SIGSTKFLT  16  /* 棧錯誤. */#define SIGCHLD    17  /* 子進(jìn)程狀態(tài)改變 (POSIX). */#define SIGCLD     SIGCHLD /* 與 SIGCHLD 相同 (System V). */#define SIGCONT    18  /* 繼續(xù)執(zhí)行 (POSIX). */#define SIGSTOP    19  /* 停止，無法阻塞 (POSIX). */#define SIGTSTP    20  /* 終端停止信號 (POSIX). */#define SIGTTIN    21  /* 后臺從終端讀取 (POSIX). */#define SIGTTOU    22  /* 后臺向終端寫入 (POSIX). */#define SIGURG     23  /* 套接字緊急情況 (4.2 BSD). */#define SIGXCPU    24  /* 超過 CPU 時(shí)間限制 (4.2 BSD). */#define SIGXFSZ    25  /* 超過文件大小限制 (4.2 BSD). */#define SIGVTALRM  26  /* 虛擬時(shí)鐘信號 (4.2 BSD). */#define SIGPROF    27  /* 程序執(zhí)行時(shí)鐘信號 (4.2 BSD). */#define SIGWINCH   28  /* 窗口大小改變 (4.3 BSD, Sun). */#define SIGPOLL    SIGIO  /* 可輪詢事件發(fā)生 (System V). */#define SIGIO      29  /* I/O 操作完成 (4.2 BSD). */#define SIGPWR     30  /* 電源故障重啟 (System V). */#define SIGSYS     31  /* 錯誤的系統(tǒng)調(diào)用. */#define SIGUNUSED  31  /* 未使用的信號. */

在 Linux 系統(tǒng)下使用"kill -l"命令可查看到所有信號，如下所示：

在實(shí)際開發(fā)中，合理使用信號處理機(jī)制可以提高程序的健壯性和響應(yīng)速度。開發(fā)者需要根據(jù)應(yīng)用場景選擇合適的信號處理方式，比如在關(guān)鍵任務(wù)中確保某些信號能夠及時(shí)處理，或者在某些情況下忽略不重要的信號以避免不必要的中斷。