「Linux 系统编程」信号集操作函数

1 未决信号集和阻塞信号集

1.1 未决信号集 (Pending Signal Set)

当一个信号被发送给进程时（例如，由另一个进程通过 kill() 发送，或由内核产生，如 SIGSEGV），这个信号首先会被加入到该进程的未决信号集中。

未决信号集 是内核为每个进程维护的一个 位图数据结构，用于实时追踪哪些信号已经产生但尚未被进程消费处理。该位图中的 每一位直接映射一个特定的信号编号，位值为 1 表示对应信号处于未决状态。

处理机制：

• 置位操作：当信号产生时，内核通过原子操作将对应位设置为 1。
• 清零时机：当信号被递送给进程处理时，内核将相应位清零。
• 队列语义：对于 标准信号（1-31），多次触发同一信号仅导致单次置位；对于 实时信号（34-64），内核通过 外部队列维护，但未决位图仍记录至少有一个该信号待处理。

特点：

• 一个信号在未决信号集中 最多只会存在一次。即使同一标准信号被发送多次，在未决集里也只会标记为有一个（这是标准信号的“不可靠”性，即可能丢失）。

• 对于实时信号（SIGRTMIN 到 SIGRTMAX），多个相同的信号可以在未决队列中排队，不会丢失。

// 简化内核数据结构示意
struct task_struct {
    // ...
    sigset_t pending;    // 未决信号位图
    struct sigpending pending_list; // 实时信号队列
    // ...
};

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1.2 阻塞信号集 / 信号掩码 (Blocked Signal Set / Signal Mask)

阻塞信号集 是进程控制的位图掩码，用于 精确管理信号递送的时机。该位图定义了信号屏蔽策略，其中置位的信号将 被内核暂时抑制递送，实现临界区的原子性保护。

处理机制：

• 屏蔽机制：当位图中某位为 1 时，对应信号将被内核阻塞
• 延迟递送：被阻塞的信号产生时，内核 只设置未决位图，而不立即递送信号给进程
• 解除阻塞：当进程 清除阻塞位图中的对应位 时，内核会 检查未决位图并处理积压信号。处理完成后再递送信号给进程。

// 简化内核实现示意
struct task_struct {
    // ...
    sigset_t blocked;    // 阻塞信号位图（信号掩码）
    // ...
};

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1.3 两集协同工作的位图操作

• 阻塞 决定了一个信号何时被处理（现在还是将来）。

• 未决 记录了一个信号是否已产生但尚未被处理。

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2 信号集操作函数

为了设置和修改 阻塞信号集，我们需要一种方法来表示和操作信号集合。Linux 提供了一系列函数来操作一个特殊的类型 sigset_t（信号集类型）。

2.1 数据类型 sigset_t

这是一个不透明数据类型，用于 表示一个信号集合。不能直接操作它的内部位掩码，而 必须使用提供的函数。

2.2 基本操作函数

定义在 <signal.h> 头文件中，成功返回 0，失败返回 -1。

1. int sigemptyset(sigset_t *set)

   • 作用：初始化一个 sigset_t 集合，使其 不包含任何信号（全部清零）。
   • 注意：在使用一个新的 sigset_t 变量之前，必须 先调用此函数或 sigfillset 进行初始化，否则它可能包含随机垃圾数据。

2. int sigfillset(sigset_t *set)

   • 作用：初始化一个 sigset_t 集合，使其包含所有信号（全部置1）。

3. int sigaddset(sigset_t *set, int signum)

   • 作用：将特定信号 signum 添加 到集合 set 中。

4. int sigdelset(sigset_t *set, int signum)

   • 作用：将特定信号 signum 从集合 set 中 移除。

5. int sigismember(const sigset_t *set, int signum)

   • 作用：检查信号 signum 是否在集合 set 中。
   • 返回值：在集合中返回 1，不在返回 0，错误返回 -1。

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2.3 应用信号掩码 sigprocmask

创建好一个信号集后，我们需要用 sigprocmask 来 设置进程的阻塞信号集（信号掩码）。

sigprocmask 函数：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)

• 作用：检查或修改进程的 阻塞信号集（信号掩码）。
• 参数 how：指定如何修改当前的阻塞信号集。
  • SIG_BLOCK：将 set 中的信号 加入 当前的阻塞信号集。新的掩码 = 当前掩码 | set。
  • SIG_UNBLOCK：将 set 中的信号 移除 当前的阻塞信号集。新的掩码 = 当前掩码 & ~set。
  • SIG_SETMASK：直接使用 set 集合 替换 当前的阻塞信号集。新的掩码 = set。
• 参数 oldset：如果不是 NULL，则函数会将 调用前 的阻塞信号集保存到 oldset 中。时常用于恢复原有掩码。

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2.4 获取未决信号集 sigpending

int sigpending(sigset_t *set)

• 作用：获取当前进程的 未决信号集。将当前处于未决状态的信号集合通过 set 参数返回。

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3 信号操作函数使用示例

下面的示例中，演示了如何阻塞 SIGINT 信号（由 Ctrl+C 产生），然后检查这个信号是否处于未决状态。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    sigset_t new_set, old_set, pending_set;

    // 1. 初始化一个空的信号集
    sigemptyset(&new_set);
    // 2. 将 SIGINT 添加到新集合中
    sigaddset(&new_set, SIGINT);

    // 3. 设置进程的信号掩码：阻塞 SIGINT (SIG_BLOCK)
    //    同时保存旧的掩码到 old_set
    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_set, &old_set) == -1) {
        perror("sigprocmask");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("SIGINT is now blocked. Try pressing Ctrl+C...\n");
    // 等待一段时间，让用户有机会按下 Ctrl+C
    sleep(5); // 睡眠5秒

    // 4. 获取当前未决的信号集
    if (sigpending(&pending_set) == -1) {
        perror("sigpending");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 5. 检查 SIGINT 是否在未决集中
    if (sigismember(&pending_set, SIGINT)) {
        printf("SIGINT is pending (was blocked and received during sleep).\n");
    } else {
        printf("No pending SIGINT found.\n");
    }

    // 6. 恢复原来的信号掩码（解除对 SIGINT 的阻塞）
    //    如果之前有 SIGINT 被阻塞，现在它会立刻被递送，导致程序终止！
    printf("Restoring old mask. If SIGINT was pending, it will kill us now.\n");
    if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_set, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask restore");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 如果之前没有收到 SIGINT，程序会继续执行到这里
    printf("Old mask restored. SIGINT is unblocked.\n");
    sleep(10); // 在此过程中可以再用 Ctrl+C 终止程序

    return 0;
}

1. 程序启动后，立即阻塞了 SIGINT。
2. 在 sleep(5) 期间，如果按下 Ctrl+C，SIGINT 信号会产生。
3. 但由于信号被阻塞，它不会被处理，而是被加入到 未决信号集。
4. sigpending() 会检测到它，并打印 "SIGINT is pending..."。
5. 当调用 sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_set, NULL) 解除阻塞时，内核会立即检查未决信号集。
6. 发现有一个未决的 SIGINT，于是立刻将其从未决集中清除，并递送给进程。
7. 如果进程没有为 SIGINT 设置自定义处理函数，默认行为是终止进程，所以程序会立即退出，最后的 printf 和 sleep(2) 可能不会执行。