简介#

信号是事件发生时一个进程对另一个进程的通知机制，也可以被称作软件中断。大多数情况下进程无法预测信号到达的时间，因此信号提供了一种处理异步事件的方法。

信号可以由以下情况产生：

• 硬件异常：如除数为0、数组访问越界等异常，硬件会在检测到异常后通知Kernel，由Kernel通知进程
• 终端输入能够产生信号的特殊字符，如Ctrl+C和Ctrl+Z
• kill()：此方法有限制，接收信号的进程和发送信号的进程的所有者必须相同，或发送信号的进程的所有者为root
• 发生软件事件，如定时器超时、CPU时间超限、子进程退出等等

和RTOS相似，信号本质上就是一个int类型的数字编号，“传递信号”实际上就是传递一个整形变量。

信号的处理方式#

• 忽略信号：信号到达进程后，进程直接忽略该信号，除了SIGKILL和SIGSTOP
• 捕获信号：信号到达进程后，执行预先绑定后好的信号处理函数（回调函数）
• 执行系统默认操作：对于大多数信号，系统的默认处理方式即为终止该进程

常见信号与默认行为#

💡 默认操作说明：

• 终止：终止进程。
• 核心转储：终止进程并生成 core 文件（用于调试）。
• 忽略：信号被忽略，进程不受影响。
• 停止：暂停进程，等待 SIGCONT 恢复。

进程处理信号#

1
#include <signal.h>
2

3
typedef void (*sig_t)(int);
4
sig_t signal(int signum, sig_t handler);

1
#include <signal.h>
2

3
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

1
struct sigaction {
2
    void (*sa_handler)(int);
3
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void *);
4
    sigset_t sa_mask;
5
    int sa_flags;
6
    void (*sa_restorer)(void);
7
}

1
#include <signal.h>
2

3
int sigsuspend(const sigset_t *mask);

C语言程序的内存布局#

1
虚拟地址向上递增
2
 ┌──────────────────────────┐
3
 │  栈（Stack）             │ ← 局部变量、函数参数、返回地址
4
 ├──────────────────────────┤
5
 │  堆（Heap）             │ ← malloc / calloc / realloc 动态分配
6
 ├──────────────────────────┤
7
 │  BSS段（.bss）          │ ← 未初始化的全局变量 & 静态变量（全为0）
8
 ├──────────────────────────┤
9
 │  数据段（.data）        │ ← 初始化的全局变量 & 静态变量
10
 ├──────────────────────────┤
11
 │  代码段（.text）        │ ← 可执行代码、只读常量（有时包含.rodata）
12
 └──────────────────────────┘

进程的虚拟地址空间#

Linux 为每个进程提供一个独立的虚拟地址空间，进程只能看到并访问自己的虚拟空间。实际的物理内存由内核通过页表映射维护：

• 进程隔离，互不干扰，提升安全性
• 可以实现内存保护、共享内存、内存映射等高级机制
• 支持更大的地址空间

以64位Linux系统为例：

1
   ┌────────────────────────────┐
2
   │     用户栈 (stack)         │ ← 地址高，向下增长
3
   ├────────────────────────────┤
4
   │     mmap 区域（匿名映射/共享库） │
5
   ├────────────────────────────┤
6
   │     堆 (heap)              │ ← 向上增长
7
   ├────────────────────────────┤
8
   │     BSS段（.bss）          │
9
   ├────────────────────────────┤
10
   │     数据段（.data）        │
11
   ├────────────────────────────┤
12
   │     代码段（.text）        │
13
   ├────────────────────────────┤
14
   │     NULL保留区（不可访问） │ ← 低地址，保护空指针访问
15
   └────────────────────────────┘

x86下用户态虚拟地址空间上限为4GB，用户使用3GB，Kernel使用1GB。用户态程序操作的是虚拟地址，通过MMU（内存管理单元）由Kernel映射到真实的物理地址，用户态无法直接观测到物理地址。

fork()#

1
#include <unistd.h>
2

3
pid_t fork(void);

fork()调用后，将存在两个进程：

• 原进程（父进程）
• 新创建的子进程

子进程实际上是父进程的一个副本，子进程拷贝了父进程的数据段、堆、栈，同时继承了父进程fopen的文件描述符，并且两个进程并不共享这些存储空间（除了代码段，它是只读的，父子进程共享代码段，内存中只存在一份代码段数据），因此fork()之后每个进程均可修改各自的栈数据和堆中的变量。

fork() 本身在被调用一次之后，将会返回两次：一次在父进程中返回，一次在子进程中返回。父进程中fork()返回新创建的子进程的PID，子进程中fork()返回0。因此可以通过判断返回值的方式来判断是父进程还是子进程：

1
pid_t pid = fork();
2

3
if (pid > 0) {
4
    // 父进程
5
} else if (pid == 0) {
6
    // 子进程
7
} else {
8
    // 错误处理
9
}

前面提到父进程和子进程会共享已经打开的文件标识符，那么这里就有两种可能的情况：

• 父进程先fopen，再fork()

两个进程指向同一个文件标识符，并共享文件偏移量，也就是说子进程改变了文章偏移量之后，也会影响的父进程，反之亦然。

• 父进程先fork()，再各自fopen()

两个进程获取到的文件标识符不同，各自拥有自己的文件编译量，进程之间不会同步文件偏移量的修改结果，因此写入的数据会发生竞争（覆盖或缺失）

vfork()#

vfork()与 fork()函数主要有以下两个区别：

• vfork()与 fork()一样都创建了子进程，但 vfork()函数并不会将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用 exec（或_exit），于是也就不会引用该地址空间的数据。不过在子进程调用 exec 或 _exit 之前，它在父进程的空间中运行、子进程共享父进程的内存。这种优化工作方式的实现会提高进程创建的效率；但如果子进程修改了父进程的数据（除了 vfork 返回值的变量）、进行了函数调用、或者没有调用 exec 或 _exit 就返回将可能带来未知的结果。

• 另一个区别在于，vfork()保证子进程先运行，子进程调用 exec 之后父进程才可能被调度运行。

实际应尽量避免vfork()来创建子进程，防止出现未知结果。

wait()#

1
#include <sys/types.h>
2
#include <sys/wait.h>
3

4
pid_t wait(int *status);

形参：

• status：存放子进程终止时的状态信息

系统调用wait()将执行如下动作：

• 调用wait()函数，如果所有子进程都还在运行，则wait()会一直阻塞等待，直到某个子进程终止
• 如果进程调用wait()，但是该进程没有子进程（该进程没有需要等待的子进程），那么wait()将返回错误
• 如果进程调用wait()之前，其子进程已经有一个或多个终止了，那么调用wait()将不会阻塞，而是会回收子进程的一些资源，即“收尸”。

形参status不为NULL的情况下，可通过以下宏来检查其参数：

• WIFEXITED(status)：子进程正常终止，返回true
• WEXITSTATUS(status)：返回子进程退出状态