2026/08/23 进程间通信-信号通信

进程间通信方式
进程间通信（Inter process communication，简称IPC）指的是进程之间的信息交换，进程间通信的方式有很多，比如管道通信、信号通信、共享内存、消息队列、信号量组、POSIX信号量等。

进程间通信可以达到数据传输、共享资源、控制进程等目的，方便用户对进程进行控制和管理。

信号的概念
信号（signal）是Unix系统、类Unix系统（比如Linux系统）以及其他POSIX兼容的操作系统中用于实现进程间通信的一种方式。信号采用的是一种异步通信机制。(同步指的是当进程发起一个请求，但是该请求并未马上响应，则进程就会阻塞等待，直到请求被响应。而异步指的是当进程发起一个请求，如果该请求并未马上响应，则进程会继续执行其他的任务，过来一段时间请求得到了响应，则会通知该进程，该进程得到通知再去对请求做出处理。)
相比于同步通信，异步通信可以提高程序的执行效率。

信号采用的是一种异步通信机制，可以用于通知接收信号的进程有哪些事件发生了。当一个信号发送给一个某进程，操作系统就会中断接收到信号的进程，此时进程中任何非原子性的操作都将被中断。
另外，如果用户在进程中定义了接收到某信号要执行的处理接口，则进程收到该信号后就会执行对应的函数，否则就执行默认的处理函数。

信号的类型

Linux系统中提供了shell命令: kill - l，该命令的作用是给某个进程发送信号，参数-l可以列出信号的名称，具体如下所示：


可以发现Linux系统中的信号编号为1-64，其中编号为1-31的信号为普通信号，编号为34-64的信号为实时信号。

(1)普通信号
Linux系统中的普通信号也被称为不可靠信号，指的是当进程接收到了很多的信号请求但是又不能及时处理时，不会把信号形成队列，而是把其余未被处理的信号直接丢弃，只留下一个信号。Linux系统中的普通信号是从Unix系统继承过来的。

(2)实时信号
Linux系统中的实时信号也被称为可靠信号，指的是当进程接收到了很多信号请求但是又不能及时处理时，会把未处理的信号形成队列，然后按照顺序依次处理，不会丢弃信号。Linux系统中的实时信号是新增加的。

信号的含义
关于Linux系统中信号的相关含义，可以通过man手册的第7章查找signal进行了解

注意：通过kill -l输出的信号名称都是大写的，按照编程规则而言这些信号都是宏定义，另外，可以看到信号前面有一个编号，这个编号就是指信号宏定义的替换列表的值。这些宏定义都被定义在signal.h头文件中，头文件的路径：/usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/signal.h

信号的产生
Linux系统下信号产生的条件是较复杂的，一般可以分为以下几种情况，具体区别如下所示：

(1)按键触发
按键触发指的是用户按下某个快捷键，然后由内核发送指定的信号给进程，比如用户准备在Linux系统的终端输入shell命令，则会先开启一个Terminal终端，然后在终端中执行了一个可执行文件，此时操作系统会创建一个进程，并把可执行文件的代码段和数据段加载到进程空间中，并分配CPU时间片给到该进程，此时进程会从就绪态进入运行态。
但是在进程执行过程中用户打算提前结束进程，所以用户在终端按下快捷键Ctrl+C，键盘就产生了一个硬件中断，操作系统会把Ctrl+C解释为SIGINT信号并记录在进程的PCB中。
此时CPU会暂停执行用户空间中的代码，然后去执行内核空间中的硬件中断，当硬件中断执行完成后CPU会返回用户空间，但是CPU需要先处理记录在进程PCB中的信号，而CPU发现此时进程PCB中的信号是SIGINT，该信号含义是终止进程，所以进程会切换到终止态，相当于结束进程。

注意：在终端正在运行的进程叫做前台进程，用户使用快捷键Ctrl+C只能结束前台进程，无法结束后台进程，如果想把一个进程转为后台执行，则可以在运行程序的时候添加符号 &。

(2)硬件异常
硬件异常产生的信号会由系统硬件进行检测，比如进程中执行除以0的指令会导致ALU异常，或者进程中访问了非法内存地址会导致MMU异常，此时内核会发送给进程相关的信号。

(3)调用接口
Linux系统中提供了一个名字叫做kill()的函数接口，用户利用该接口可以实现主动向指定进程发送信号，用户可以通过man 2 kill查阅函数的使用规则。

可以看到kill函数具有两个参数，第一个参数指的是目标进程的PID，第二个参数则是要发送的信号名称。kill函数调用成功则返回0，调用失败则返回-1。

除了kill()函数之外，Linux系统还提供了一个名称叫做raise()的函数接口，两者的区别是kill()函数可以向指定的进程发送信号，而raise()函数只能向当前进程发送信号。

(4)发送指令
用户除了在程序中调用kill()函数发送信号之外，还可以直接在终端中使用shell命令：kill 给指定PID的进程发送信号，其实kill命令也是调用kill函数来实现信号的发送。如果kill命令没有指定信号名称，则默认发送SIGTERM信号，该信号表示终止进程。

(5)内核检测
当内核检测到某种软件条件发生时也可以通过信号通知进程，例如内核检测到闹钟超时则会产生SIGALRM信号，或者当内核检测到进程向读端已关闭的管道写数据时就产生SIGPIPE信号。

Linux系统下提供了一个叫做alarm()的函数接口，alarm翻译为中文是闹钟的意思，也就是说该函数可以设置内核定时器的时间，时间是以秒为单位的，当设置的秒数到达时，就相当于闹钟时间达到，此时内核检测到闹钟到达之后就会向调用该函数的进程发送SIGALRM，该信号的默认含义是终止进程。

信号的处理
当进程接收到信号之后，可以分为三种情况来对信号进行处理，分别是默认、捕捉和忽略。

(1)默认处理

由于Linux系统中已经对普通信号的含义进行了规定，也就是当进程接收到某个信号后，如果用户没有自定义信号的执行动作，则会采用默认处理的方式对信号进行响应。比如进程接收SIGTERM信号后则会被终止。

(2)捕捉信号

信号捕捉指的是在进程接收到某个指定信号之前，先设计好该信号响应函数，并把该信号和该响应接口进行关联，这样当进程接收到信号之后，就不会执行信号的默认响应动作，而是执行用户指定的响应动作。

Linux系统中提供了一个名称叫做signal()的函数，用户可以通过man 2 signal了解函数的使用规则。

可以看到该函数有两个参数，第一个参数指的是目标信号的编号，第二个参数指的是信号的处理函数的地址，是一个函数指针类型，void (*sighandler_t)(int)，用户需要按照该类型定义信号处理接口。

void function(int signal) //信号处理函数没有返回值，有一个int型参数，名称为signal即可
{
//响应动作
}

当捕捉到信号时，不论进程的主控制流程当前执行到哪儿，都会先跳到信号处理函数中执行，从信号处理函数返回后再继续执行主控制流程。

信号处理函数是一个单独的控制流程，因为它和主控制流程是异步的，二者不存在调用和被调用的关系，并且使用不同的堆栈空间。引入了信号处理函数使得一个进程具有多个控制流程，如果这些控制流程访问相同的全局资源（全局变量、硬件资源等），就有可能出现冲突。

注意：并不是所有的信号都可以自定义信号响应动作，对于SIGKILL信号和SIGSTOP信号而言，用户不可以自定义这两个信号的响应接口。

另外，可以看到signal()函数提供了两个宏，SIG_IGN指的是信号可以被忽略，SIG_DFL指的是信号关联默认的响应动作。

练习：用户设计两个程序，要求进程A中自定义信号SIGUSR1的响应接口，要求进程B每隔一段时间向进程A就发送SIGUSR1信号，测试进程A是否可以执行关联的响应接口。

(3)忽略信号
忽略信号指的是当进程接收到某个信号后，并不打算执行该信号的相关动作，而选择直接丢弃该信号。用户可以通过调用signal()函数，只不过函数的第二个参数设置为SIG_IGN即可。

练习：用户设计一个程序，要求程序每隔1s就获取当前系统时间并输出到终端，但是用户不打算让其他用户通过快捷键Ctrl+C来强制结束该程序，所以要求现在设计该程序。

信号的阻塞
有时进程会接收到很多来自其他进程的信号，但是该进程暂时不打算对某些指定信号做出响应，所以需要暂时“屏蔽”某些信号。比如程序在执行过程中不打算受到用户Ctrl+C的强制结束进程的影响，所以进程需要阻塞该信号，当该信号到达时对它进行屏蔽，当做“看不见”。

Linux系统中提供了一个名称叫做sigprocmask()的函数接口来设置信号集的属性，使用规则如下：

可以看到该函数可以对信号集进行设置，比如对信号集进行阻塞、解除阻塞等相关操作，当然，用户需要创建信号集，并把相关信号添加到信号集中，或者从信号集中删除某些信号。

注意：阻塞和忽略是不同的，只要信号被阻塞就不会递达，而忽略是在递达之后可选的一种处理动作。

练习：根据上面的接口，设计一个程序，要求把快捷键Ctrl+C的对应信号进行阻塞，需要创建一个信号集，把该信号添加到信号集，对信号集属性进行设置（阻塞），然后测试发送该信号是否会被进程响应。

信号的挂起

当进程被系统调度程序进行调度，得到CPU资源进入运行态时，才有能力处理其他进程发送过来的信号，当进程处于其他状态时，就算其他进程发送信号过来，该进程也无法处理。

所以进程中就提供了一个挂起信号集，所有被发送到这个进程的信号首先被放入这个信号集，挂起信号集存储了进程的待处理信号，这些信号必须要等到进程被系统调度的时候才能被进一步响应。