UNIX/LINUX信号基本概念释疑

引出问题

可能很多人和我一样，在学习APUE第10章信号章节时存在很多疑惑，究其原因可能是APUE没有对信号的生命周期有个详细明了的解释导致的。本文是通过网上的文章整理而成，正确与否，还望批评指正！

什么是同步事件，什么又是异步事件

首先大致解释下什么是同步事件，什么是异步事件，他们本质的区别是什么？

信号的同步和异步产生

所谓信号，是操作系统提供给进程处理异步事件（asynchronous events）的一种方法。通俗点说，就是异步事件发生时，操作系统通过信号这个通知机制来告诉进程。信号在操作系统中是通过软件中断（software interrupts）来实现的，它与硬件中断（hardware interrupts）的相似之处就是打断了进程执行的正常流程。

那么进程能否预测信号到达的精确时间呢？

答案是：大多数情况下，进程是无法预测信号到达的精确时间的。什么？ 难道还存在可以预测信号到达的情况？ 有！这就跟信号的产生方式（signal generation）有关了。信号有两种产生方式：

（1）同步产生（synchronous）。

（2）异步产生（asynchronous）。

再强调一遍，这里的“同步”和“异步”描述的是信号的产生方式（signal generation），而不是信号本身。

系统进程处理信号是典型的异步事件，即进程无法预知信号到来的准确时间。但实际上，信号的产生方式却是可以分成两种，一种是以同步方式产生，与此相对的则是以异步方式产生信号。

异步方式产生信号是最常见的，可以通过一个进程发送信号给另一个进程，或者内核检测到某个事件而给进程发送信号，不管何种方式，他们都与当前进程的实际执行毫无关系。例如，用户按下CTRL+C字符，或者子进程结束时内核给父进程发送SIGCHLD信号。

然而，在另外一些情况下，信号的产生却是进程自己产生的，或者说信号的产生与进程自身的执行有关。例如：

（1）由硬件异常产生的信号（SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGSEVE,和SIGEMT）。它们都是进程自身执行了特定的非法指令导致的硬件异常。

（2）进程通过系统调用raise()，kill()，或者killpg()向自己发送信号。

在这些情况下产生的信号就是同步的，他们会立即递达给进程（除非进程之前阻塞了它们）。换句话说，同步发生的信号是可预知的、可重现的。

信号的生命周期

关于信号的生命周期，我绘制了一张图如下：

信号从产生到结束的过程

 

在解释上图之前，我们先了解下什么是信号集？

顾名思义，信号集就是用来表示多个信号的数据结构，其系统数据类型为sigset_t。POSIX.1定义了几个函数来初始化信号集以及增删特定信号的操作函数，详细请man 3 sigsetops.

好了，知道了信号集的概念后，我们来解释下上图，上图过程可以用man 7 signal中的一段话来形容：

A signal may be blocked, which means that it will not be delivereduntil it is later unblocked. Between the time when it is generated and when it is delivered a signal is said to bepending.

Each thread in a process has an independentsignal mask, which indicates the set of signals that the thread is currently blocking. A thread can manipulate itssignalmaskusing pthread_sigmask(3).  In a traditional single-threaded application, sigprocmask(2) can be used to manipulate thesignal mask.

信号的产生：信号的产生（generation）原因很多，这里不再赘述。

信号的递达：实际执行信号的处理动作称为信号的递达（delivery）。

信号的未决：信号从产生到递达之间的状态称为信号的未决状态（pending）。

一个进程可以通过信号屏蔽字（signal mask）来有选择地阻塞（block）某个信号 -- 被阻塞的信号在产生后将保持在未决状态，直到进程解除对该信号的阻塞后才执行递达的动作。

由此我们可以得出以下结论：

1. 一个进程必定拥有两个信号集，一个是上面提到的信号屏蔽字（signal mask），或者称为信号掩码，它是用来记录进程阻塞了哪些信号。另一个我们暂且称为未决信号集，未决信号集中的信号，要么是进程阻塞的信号，要么是还未来得及递达的信号。通俗点说的话，就是未决信号集里的信号是进程收到的所有信号，而信号屏蔽字是未决信号集的子集。
2. 当一个信号产生时，内核首先将其添加到未决信号集中，表明进程已经知道该信号的存在，但还没来得及处理，或者该信号被进程阻塞。
3. 在进程执行过程中，内核会检测进程的未决信号集中是否有信号（每次从内核空间切换到用户空间时也会检测），如果有未决的信号且没有被进程阻塞的话，那么在运行信号的处理函数前，内核会在未决信号集中删除信号。如果有未决的信号但却是阻塞的，那么不做任何处理，继续处于未决状态，直到进程显示地解除阻塞。
4. 进程的信号屏蔽字是可读写的（可通过函数sigprocmask获取和修改），而未决信号集是只读的（只能通过函数sigpending获取），进程是不能修改其值的，只能由内核来修改。

在《Linux C编程一站式学习》中有个图能很好的解释上述这些概念：

信号在内核中的表示示意图

在上图的例子中,

1. SIGHUP信号未阻塞也未产生过，当它递达时执行默认处理动作。
2. SIGINT信号已产生，但正在被阻塞，所以暂时不能递达。虽然它的处理动作是忽略，但在没有解除阻塞之前不能忽略这个信号，因为进程仍有机会改变处理动作handler之后再解除阻塞。
3. SIGQUIT信号未产生过，一旦产生SIGQUIT信号将被阻塞，它的处理动作是用户自定义函数sighandler

总结一下：

在信号的生命周期中，信号的未决是一种状态，指的是从信号的产生到递达信号这段时间内信号的状态，而信号的阻塞更像是一个开关，用来决定当信号处于未决状态时是否递达信号。注意，信号的阻塞容易让人产生误会，让人误认为是阻止信号的产生，这种认识是错误的。此外，阻塞和忽略也是不同的概念，忽略指的是当信号递达后可选的一种处理动作。

再来一张网友的图片，很不错。缺点是省略了信号的未决状态。

理解实时信号和非实时信号

信号分为可靠信号与不可靠信号,可靠信号又称为实时信号，非可靠信号又称为非实时信号。

之所以有实时信号和非实时信号的区分，是因为在它们产生（generation）之后，将它们添加到未决信号集中的方式有所区别导致的。

1. 实时信号产生时，不管该信号在未决信号集中是否存在，都还是会再次加入未决信号集中，并对它们进行队列管理。因此，信号不会丢失，因此，实时信号又称“可靠信号”。
2. 而非实时信号的处理就不一样了。非实时信号产生时，如果发现相同的信号已经存在于未决信号集中，那么系统会丢弃信号，对进程来说，相当于根本不知道信号的发生，信号丢失。如果未决信号集中不存在相同的信号，则会把信号添加到未决信号集中，此后如果再产生相同的信号，则会丢弃。 所以，非实时信号又称“不可靠信号”。

此外，我们需要知道的是，当信号正被递送时，即正在运行信号处理函数时，该信号是被阻塞的（默认情况下，是没有指定SA_NODEFER的）。

参考链接：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html 《Linux环境进程间通信（二）: 信号（下）》

http://www.cis.temple.edu/~giorgio/cis307/readings/signals.html

http://www.programering.com/a/MjMyADMwATA.html 《Signal Linux system programming》

http://www.filibeto.org/unix/tru64/lib/rel/4.0D/APS33DTE/DOCU_006.HTM

http://m.blog.csdn.net/blog/hanqing280441589/43876983 《Linux信号实践(3) --信号内核表示》

http://www.cnblogs.com/lienhua34/p/4072417.html 《UNIX环境编程学习笔记（24）——信号处理进阶学习之信号集和进程信号屏蔽字》

http://blog.csdn.net/qq276592716/article/details/7325216 《Linux内核信号处理机制介绍》

http://blog.csdn.net/bullbat/article/details/7840405 《Linux信号机制概述》

http://m.blog.csdn.net/blog/wwangfeng2500/7649102# 《Linux内核信号处理机制介绍》

《Linux并发（异步信号）》

《信号“未决”与“阻塞”》

《Linux signal那些事儿》