操作系统｜信号（Signal）

前面我们讲解了共享存储、消息传递、管道三类可传输大批量数据的进程通信方式，今天介绍一种极简、轻量的进程交互手段 ——信号（Signal）。信号不传递复杂业务数据，仅用于告知进程 “某一特定事件已经发生”，是系统异常、中断、进程管控最常用的底层机制。

一、信号的核心作用

1. 实现极简型进程间通信，核心能力只做事件通知，仅传递事件标记，无法携带大量传输数据；
2. 作为程序异常、系统中断的配套处理机制，比如程序崩溃、强制终止、暂停运行等场景，全靠信号驱动处理逻辑。

二、信号的三大发送来源

信号一共有三类发送主体，工程中最常用kill函数完成发送操作，调用时需要指定接收进程的 pid、目标信号序号。

1. 进程向另一个进程发送信号 例如终端手动执行 kill 命令杀死后台程序，本质就是当前 shell 进程给目标业务进程发送终止信号。
2. 操作系统内核向进程发送信号 硬件异常、内存越界、除零错误、定时器超时等场景，由内核主动推送信号通知进程。
3. 进程向自身发送信号 进程内部逻辑触发自检、主动终止、自我暂停时，可以调用接口给自己投递信号。

三、信号在系统中的保存方式

操作系统会在每个进程的 PCB（进程控制块） 内部，分配两组 N bit 长度的位向量：

1. 待处理信号位向量：每一个比特位对应一类信号，比特置 1 代表该信号已经收到、等待被处理；
2. 被阻塞信号位向量：标记哪些信号暂时需要屏蔽，即便收到也暂时不执行处理逻辑。 位向量是信号轻量化存储的核心，占用内存极小，匹配信号 “只做通知” 的定位。

     3.图解

（1）信号类型：8种--8个bit                

（2）待处理信号：表示其它进程发送过来的信号：图中发送过来信号类型1和类型8待处理

          被阻塞信号：表示不会使用的信号：图中信号7，8被屏蔽

                                                 

（3）发送信号:  kill(2666,1)表示发送信号类型1给pid为2666的进程。当两个进程发送相同类型的信号时，后到达是信号将被丢弃，图中OS的信号将被丢弃

四、信号的处理规则

1. 固定处理时机

进程只有在从内核态切换回用户态的瞬间，操作系统会例行扫描待处理信号队列；如果检测到存在未处理信号，立刻暂停原有业务逻辑，优先执行信号处理流程。 进程正在用户态全速运行、或是深陷内核态阻塞等待时，不会中途打断去响应信号。

处理时机图解：将block按位取反的11111100与pending按位与得10000000，类型1的比特位为一，表示处理信号1，其它为0表示不处理

2. 两种处理执行方案

方案 1：执行操作系统默认处理程序

内核为每一类信号都预设了标准处理逻辑，常见默认行为分为三类：

1. 直接终止当前进程；
2. 暂停进程运行；
3. 直接忽略该信号，不做任何操作（例：Linux 系统 SIGWINCH 窗口大小变更信号）。

方案 2：执行用户自定义信号处理程序

进程可以通过系统调用，手动注册自定义的信号回调函数；自定义逻辑会完全覆盖操作系统默认处理行为，收到信号后优先运行开发者编写的处理代码。

用户可以自定义信号的处理内容，没有定义是则会使用系统提供的默认处理方式

3. 信号处理后的配套运行细节

1. 信号处理程序运行结束后，正常情况下会回到进程被打断的位置，执行下一条原有指令；只有当处理程序内部主动终止、阻塞进程时，才不会恢复原有流程。
2. 某一类信号完成处理后，PCB 里对应待处理（pending）比特位会被重置为 0，标记该信号已办结。
3. 重复同型号信号会直接丢弃：位向量只用 1 个比特记录一类信号 “有无状态”，不统计接收次数。短时间连续发来多条一模一样的信号，系统仅保留一次记录，多余重复信号直接丢失。
4. 多类信号同时抵达的优先级：如果同一时刻检测到多种不同的待处理信号，操作系统通常优先处理信号序号数值更小的信号。

五、信号的五大关键特性

1. 信号标准不统一：Windows、Linux、macOS 等不同操作系统，定义的信号编号、信号含义存在差异，跨平台程序需要做兼容适配；
2. 同类重复信号会直接丢弃：位向量只用 1 个比特记录一类信号 “有无”，不统计接收次数。短时间连续收到多条相同信号，只会保留一次记录，多余重复信号直接丢失；
3. 存在不可管控的特权信号：部分高危系统信号，既不允许用户自定义处理函数，也无法被代码阻塞屏蔽；典型例子为 Linux 中的 SIGKILL（强制杀死进程）、SIGSTOP（强制暂停进程）；
4. 通信负载极低：全程只有标记位传递，无内存拷贝、大数据传输开销；
5. 属于异步通知：信号到来时机完全不可预测，随时可能打断进程正常业务流程。

六   问题

1.各个进程的自定义处理信号相互独立

如图，假设进程1信号2自定义了处理程序，而进程2没有自定义，则进程2的信号不会受到进程1的影响，即运行时进程1的信号2唤醒自定义处理程序，进程2的信号2唤醒系统默认处理程序

2.信号与异常

信号是操作系统异常处理的配套补充机制，进程运行中产生异常时，内核捕获后分为两种处理路径：

1. 内核可独立完整处理的异常 例如缺页异常，操作系统内核自身就能完成页面置换、内存调度等全部修复工作，全程无需通知用户进程，不会发送任何信号。
2. 内核无法独立处理、需要用户进程配合的异常 部分异常内核仅能识别故障，无法自主修复，此时内核依靠信号机制向出错进程发送专属异常信号，交由进程选择处理方式。 以 Linux 除以 0 异常举例：
3. 运算出错触发硬件异常，操作系统内核第一时间捕获异常事件；
4. 内核主动向发生错误的进程发送 SIGFPE 算术异常信号；
5. 两种处理分支： （1）默认处理：系统内置 SIGFPE 处理程序，直接终止进程并导出内存崩溃转储文件； （2）自定义处理：进程提前注册自定义 SIGFPE 回调函数，覆盖默认行为，可实现打印错误日志、重试计算、优雅退出等个性化容错逻辑。