【操作系统百科】信号：Unix 最拧巴的抽象

signal 是 Unix 1970 年代的设计遗产。它同时做了三件事——异步通知、进程控制、错误递送——这三者本应是不同的抽象，但被塞进了同一套 API。结果就是每个资深工程师都被 signal 坑过至少一次。

本文不复述 man page，只讲三件事：内核怎么递送、用户态怎么接、如何在现代代码里尽量绕开 signal 的地雷。

一、先看图

flowchart LR
    subgraph Producer[发送端]
      K[kill/tgkill/<br/>pidfd_send_signal] --> Q
      KI[内核产生<br/>SIGSEGV/CHLD/...] --> Q
    end
    Q[pending set<br/>per-task + per-tgroup]
    Q --> D{blocked?}
    D -->|yes| W[等待解除屏蔽]
    D -->|no| R[返回用户态前<br/>check signal]
    R --> H{handler?}
    H -->|SIG_DFL| DA[默认动作：<br/>term / core / stop / ignore]
    H -->|SIG_IGN| IG[丢弃]
    H -->|自定义| UH[切 sigframe 到用户栈<br/>调用 handler]
    UH --> RT[sigreturn 恢复]
    classDef kernel fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef user fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef warn fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    class Q,D,R,RT kernel
    class UH user
    class DA warn

关键点：signal 只在从内核返回用户态前被检查。这意味着一个 busy loop 不 enter kernel 就永远不会被软中断（但 preempt 仍会把它踢下来，调度 tick 算 kernel entry）。

二、信号分类

2.1 标准信号 1-31

历史包袱：SIGHUP/SIGINT/SIGKILL/SIGTERM/SIGCHLD/… 这些是 SysV/BSD 流传下来的固定号。关键属性：

不排队：同号 pending 多次 = pending 一次
有预定义默认动作（term / core / stop / ignore）
SIGKILL 和 SIGSTOP 不可屏蔽、不可捕获

2.2 实时信号 32-64（SIGRTMIN..SIGRTMAX）

POSIX RT 扩展：

会排队（每个进程有 RLIMIT_SIGPENDING 限制，默认几千）
可带 sigval_t payload
默认动作是 term

适合要数据、要计数的异步通知。但注意 glibc 会偷用 SIGRTMIN..SIGRTMIN+2（pthread cancel、setxid）。实际可用从 SIGRTMIN+3 开始。systemd 用一大堆 SIGRTMIN+N 做运行时控制。

2.3 同步 vs 异步

同步：由当前指令触发——SIGSEGV（坏地址）、SIGBUS（对齐/mapped 区读写无效）、SIGFPE、SIGILL、SIGTRAP。它们带 si_addr 等精确信息，只能递给触发的那个线程。
异步：kill(2) 产生。可送给进程或特定线程。

三、发送 API

3.1 kill(2) 和 tgkill(2)

kill(pid, sig)：送给进程（thread group）。内核选一个未屏蔽此信号的线程递送。坑：你不能指定哪个线程接。

tgkill(tgid, tid, sig)：送给特定线程。glibc 的 pthread_kill 底层就是 tgkill。

3.2 sigqueue(3)

带 payload 的发送，走 RT signal 机制。

3.3 pidfd_send_signal(2)

前文说的 pidfd 加持：

int pidfd = pidfd_open(pid, 0);
pidfd_send_signal(pidfd, SIGTERM, NULL, 0);

优势：pid 不会误杀（见 B-12 第 7.2 节）。5.1+ 可用。

四、接收 handler 的雷区

4.1 signal(2) vs sigaction(2)

永远不要用 signal(2)——语义在 BSD / SysV 不一致，且有些平台重置 handler 为 SIG_DFL 后再次递送会丢。sigaction(2) 是 POSIX 正规 API。

struct sigaction sa = {0};
sa.sa_sigaction = my_handler;
sa.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_RESTART;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);

关键 flags：

SA_SIGINFO：用 3-arg handler，拿到 siginfo_t（有 si_pid、si_code、si_addr）
SA_RESTART：系统调用被中断时自动 restart（多数时候你要的行为）
SA_NOCLDWAIT：SIGCHLD 时直接 reap，不留僵尸
SA_ONSTACK：handler 跑在 sigaltstack 上（栈溢出时保命）

4.2 async-signal-safe

signal handler 里只能调 POSIX 标为 AS-safe 的函数。这是硬约束，不是建议。违反后果：

glibc 内部锁被中断 handler 再 acquire → 死锁
malloc 中间态被打断 → 堆损坏

AS-safe 子集很小：write、read、_exit、sigaction、sem_post、cfsetospeed、几何上一把。printf 不 safe，malloc 不 safe，任何 FILE* 操作都不 safe。

所以 handler 的正确姿势：

只写一个 volatile sig_atomic_t flag = 1;，主循环轮询
或者 write(pipe_wr, &byte, 1)，主循环 epoll 读 pipe
或者 sem_post 唤醒工作线程

复杂逻辑禁止放 handler 里。

4.3 errno 陷阱

signal handler 执行时会被各种 syscall 夹住，syscall 可能改 errno。handler 里如果调了 write 等会改 errno 的函数，必须先保存 errno、退出前恢复：

void h(int s) {
    int saved = errno;
    write(pipefd, "X", 1);
    errno = saved;
}

4.4 多线程语义

sigprocmask：只改当前线程
pthread_sigmask：显式改当前线程
收信时：若一个线程屏蔽了，kernel 尝试下一个；都屏蔽则 pending 在进程级
最佳实践：主线程 block 所有关心的 signal，起专用线程 sigwaitinfo 循环消费

五、现代替代：signalfd + pidfd

signalfd(2) 把 signal 变成 fd：

sigset_t mask;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGTERM);
sigaddset(&mask, SIGCHLD);
pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

int sfd = signalfd(-1, &mask, SFD_CLOEXEC);
// 加入 epoll

好处：

不走 handler，不受 AS-safe 约束
可与 epoll/io_uring 合流
线程安全——谁 read 谁处理

坑：signalfd 需要先 block 对应 signal，否则 kernel 优先走 handler 路径。

pidfd + epoll 已在 B-12 讲；在只关心”子进程退出”时，pidfd 比 SIGCHLD 干净得多。

六、SIGCHLD 的三种姿势

SIG_DFL：父忽略，子变僵尸
SIG_IGN 或 SA_NOCLDWAIT：子退出即 reap，失去 exit code
自定义 handler + waitpid 循环：传统姿势

void sigchld(int s) {
    int saved = errno;
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) {}
    errno = saved;
}

要循环 wait——SIGCHLD 不排队，短时间多子退出可能只收到一次。

七、SIGSEGV：故障处理的艺术

进程访问非法地址 → kernel 产生 SIGSEGV 送自己。默认是 core dump。

但高级用法：

userfaultfd：JVM/QEMU 用于 live migration、lazy load（配合 B-34 缺页）
自定义 SIGSEGV handler：某些 GC 用（guard page 触发）
mprotect 探测：先 mmap 巨大匿名区，SIGSEGV handler 动态 mprotect

handler 里要用 sigaltstack，否则栈溢出触发 SEGV 时没地方跑 handler。

八、SIGPIPE 与 EPIPE

写入已 close 的 pipe/socket → 内核送 SIGPIPE（默认 term）。网络服务里这是常见踩雷：

signal(SIGPIPE, SIG_IGN);  // 或 sigaction
// 或每次 send 用 MSG_NOSIGNAL

否则客户端一断，服务端进程就死。

九、容器里的 signal 流转

Docker stop / kubectl delete pod 的流程：

发 SIGTERM 给容器 PID 1
等 grace period（默认 10/30s）
发 SIGKILL

PID 1 不装 SIGTERM handler 时，kernel 忽略 SIGTERM（PID 1 对信号有特殊待遇——无 handler 的默认都忽略，防止宕内核）。

解决：

docker run --init（塞个 tini 做 PID 1，它转发 signal 给应用）
应用自己装 handler
Dockerfile 用 exec form CMD（CMD ["./app"]）而不是 shell form（CMD ./app，会让 sh 当 PID 1）

十、常见 signal bug 模板

bug A：log rotation 后 nginx 没切日志原因：reload 发的是 SIGUSR1 给 master；master 处理了但 worker 没解决：按软件文档 reload 模式

bug B：gdb attach 后进程被卡原因：ptrace 会 stop；detach 后若 deliver 了 SIGSTOP 就需要 SIGCONT 解决：kill -CONT <pid>

bug C：pthread_cancel 不生效原因：cancel 通过 SIGRTMIN 实现；被屏蔽或 handler 被覆盖解决：不要手动玩 SIGRTMIN..+2

bug D：strace 下进程行为不一样原因：strace 改了 signal delivery timing；某些竞争被隐藏解决：用 perf trace 或 eBPF 替代，干扰更小

十一、小结

signal 是异步+同步+进程控制的三合一，API 拧巴，但 Unix 深度耦合
尽量用 sigaction；禁止在 handler 里做复杂事
多线程：一个线程统一 sigwait，其他全 block
新代码优先 signalfd / pidfd，让 signal 变 fd
记住 SA_RESTART、SIGPIPE、SIGCHLD 排队的坑

下一篇 B-14 讲管道、FIFO、socketpair——Unix 风格进程间通信的老牌三剑客。

参考文献

Kerrisk, M. The Linux Programming Interface, Ch. 20-22
Linux source: kernel/signal.c, arch/x86/kernel/signal.c
POSIX.1-2017 §2.4 “Signal concepts”
signal-safety(7)、signal(7) man pages
Corbet, J. “signalfd() and beyond.” LWN.net 2007
Drysdale, D. “The perils of signal() in libraries.” 2013

工具

kill -l —— 列出所有 signal
strace -e trace=signal —— 信号追踪
bpftrace -e 'tracepoint:signal:signal_deliver { ... }' —— 事件级
perf trace -e 'signal:*'
prctl PR_GET_PDEATHSIG —— 父死时子收到的信号

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2026-05-21 · os