嵌入式Linux：信號是什么？

信號是Linux系統中用于通知進程事件發生的一種機制，可以將其視為一種軟件中斷。

信號類似于硬件中斷，能夠打斷進程當前的執行流程，從而實現對中斷機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，因為大多數情況下，信號的到達時間是不可預測的。

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

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信號的來源

信號可以由多種情況觸發，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核，內核隨即發送相應的信號給相關進程。例如，當執行除數為零、訪問越界的內存等異常操作時，硬件會捕捉到這些錯誤并通知內核，內核則向相關進程發送信號，如SIGFPE（浮點異常）或SIGSEGV（非法內存訪問）。

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生信號。例如，按下CTRL + C組合鍵會產生SIGINT（中斷信號），可以終止前臺運行的進程；按下CTRL + Z會產生SIGTSTP（暫停信號），可暫停當前前臺運行的進程。

進程調用系統調用

進程可以通過kill()系統調用向另一個進程或進程組發送信號。為了確保系統安全，發送信號的進程和接收信號的進程通常需要具有相同的所有者，或者發送信號的進程的所有者是root超級用戶。

用戶命令

用戶可以通過kill命令向其它進程發送信號。雖然kill命令的名稱聽起來像是用來“殺死”進程，但實際上它可以發送任意信號。例如，kill -9 PID會向進程發送SIGKILL信號，強制終止指定進程。

軟件事件

軟件檢測到特定條件發生時也會產生信號。這些條件可能包括：進程設置的定時器到期、進程使用的CPU時間超限、子進程退出等。這些信號通常由內核觸發并發送給相關進程。

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信號的處理方式

當信號到達進程時，進程需要對該信號進行處理。通常，進程對信號的處理方式有以下幾種：

忽略信號

進程可以選擇忽略某些信號，使其不對進程的執行產生影響。然而，有兩種信號SIGKILL和SIGSTOP是無法被忽略的，因為它們提供了終止或停止進程的可靠方法。如果進程忽略某些由硬件異常產生的信號，其行為可能是未定義的。

捕獲信號

進程可以捕獲并處理信號，通過預先定義的信號處理函數來響應特定的信號。為了實現這一點，進程需要通過signal()或sigaction()系統調用來注冊信號處理函數，當信號發生時，該函數將被執行以處理相應的事件。

執行系統默認操作

如果進程沒有捕獲信號，系統會對信號進行默認處理。對于大多數信號，系統默認的處理方式是終止進程。然而，也有些信號的默認處理方式是忽略。

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信號的異步性

信號是異步事件的經典實例。信號的產生對進程而言是隨機的，進程無法預測信號到達的具體時間。這種異步性與硬件中斷非常相似。進程無法通過簡單的變量測試或系統調用判斷信號是否產生，只有當信號實際發生時，系統才會通知進程，打斷當前執行流程，跳轉到信號處理函數去執行相應操作。

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信號編號

在Linux系統中，信號本質上是int類型的數字編號，類似于硬件中斷所對應的中斷號。內核為每一個信號定義了一個唯一的整數編號，這些編號從數字1開始依次展開。每個信號都有一個對應的名字，這個名字實際上是一個宏，通常以SIGxxx的形式出現，例如SIGINT、SIGKILL等。

信號的整數編號與其符號名之間是一一對應的關系，但由于不同操作系統的實現可能存在差異，某些信號的實際編號在不同系統中可能會有所不同。為了提高程序的可移植性，在編寫代碼時，開發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，而不是直接使用數字2（在大多數系統中，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準信號的編號和名稱。

需要注意，信號編號從1開始，而編號為0的信號在標準定義中并不存在。

#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  /* 子進程狀態改變 (POSIX). */#define SIGCLD     SIGCHLD /* 與 SIGCHLD 相同 (System V). */#define SIGCONT    18  /* 繼續執行 (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  /* 虛擬時鐘信號 (4.2 BSD). */#define SIGPROF    27  /* 程序執行時鐘信號 (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  /* 錯誤的系統調用. */#define SIGUNUSED  31  /* 未使用的信號. */

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

在實際開發中，合理使用信號處理機制可以提高程序的健壯性和響應速度。開發者需要根據應用場景選擇合適的信號處理方式，比如在關鍵任務中確保某些信號能夠及時處理，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。