嵌入式 Linux 系统编程之进程间通信 —— 信号机制深度剖析

信号机制的基础

信号是Unix、类Unix等系统里实现进程通信的一种方式。信号采用的是异步通信的机制。

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。

同步通信：进程发出请求后阻塞等待响应。

异步通信：指进程发出请求后不等待相应，继续执行其他任务，等待响应时再处理。

比如去银行办事，异步像取号后可做别的事，叫号了再去办理；同步则是排队一直等。信号机制能提升程序执行效率。

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

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。

普通信号

Linux系统中的普通信号也称为不可靠信号，当进程接收多个信号来不及处理，会丢弃多余信号，只保留一个。Linux系统的普通信号是Unix系统继承过来的。
实时信号

Linux系统的实时信号也被称为可靠信号，当进程接收多个信号请求时但是不能及时处理，会把未处理的信号形成队列，按照排序依次处理。Linux系统中的实时信号是新增加的。

在Linux系统中可以查看man手册的第七章查找signal进行了解

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

**按键触发：**在终端，按Ctrl + C可产生SIGINT信号终止前台进程。这是因为按键产生硬件中断，操作系统解释为信号记录在进程 PCB，CPU 处理完中断后处理信号，使进程终止。

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 &。

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。

**默认处理：**Linux系统对普通信号有默认规定，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。
**捕捉信号：**进程可提前设计信号相应函数并关联信号，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。signal函数用于此，参数为信号编号和处理函数的地址。

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。

SIGKILL和SIGSTOP信号是不可自定义响应接口。

进程又是需要蚕食屏蔽某些信号，如程序执行时不想被Ctrl + C强制结束，可以阻塞该信号。

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：

sigprocmask()函数用于设置信号集属性，实现阻塞、解除阻塞操作。需先创建信号集，添加或删除信号。

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。

进程只有在运行态才能处理信号，挂起信号集存储待处理信号。其他进程发的信号先放入挂起信号集，等进程被调度运行时再处理。

原子操作（Atomic Operation） 指的是不可被中断、不可被分割的最小执行单元—— 要么整个操作完整执行完毕，要么完全不执行，不会出现 “执行到一半被打断” 的中间状态。

原子上下文（Atomic Context） 指的是执行流处于 “不可被调度、不可被阻塞” 的执行环境，在这个上下文中，所有操作都必须是原子的，且不能执行任何可能导致阻塞或调度的操作。

简单总结：原子操作是 “点” 上的原子性，原子上下文是 “段” 上的原子性—— 原子操作是原子上下文的基础，原子上下文要求所有操作都必须是原子的。