操作系统中的进程间通信：信号（Signal）机制

描述：
信号是操作系统中一种异步的进程间通信机制，用于通知目标进程某个特定事件已经发生。类似于硬件中断，信号是软件层面的"中断"，用于处理异常情况、用户交互或进程控制等场景。

信号的基本概念：

1. 信号本质是一个整数编号，每个编号对应特定事件（如SIGINT=2表示键盘中断）
2. 信号发送后可能被忽略、捕获或执行默认操作
3. 信号处理是异步的，进程可能在任意时刻被信号中断

信号的产生方式：

1. 键盘输入：Ctrl+C产生SIGINT，Ctrl+\产生SIGQUIT
2. 硬件异常：除零错误产生SIGFPE，非法内存访问产生SIGSEGV
3. 系统调用：kill()函数允许进程向其他进程发送信号
4. 软件条件：管道破裂产生SIGPIPE，定时器超时产生SIGALRM

信号的处理过程：

步骤1：信号发送

• 内核检测到信号事件（如键盘中断）
• 在目标进程的进程控制块（PCB）中设置信号位图对应位
• 如果进程处于可中断睡眠状态，将其唤醒

步骤2：信号递送时机

• 进程从内核态返回用户态前（系统调用、中断处理完成后）
• 进程从睡眠状态被唤醒时
• 进程时间片用完进行上下文切换时

步骤3：信号处理方式

1. 默认操作：终止进程、忽略信号、终止并生成core文件等
2. 忽略信号：明确告诉内核丢弃该信号
3. 捕获信号：注册信号处理函数，信号发生时自动调用

信号处理函数注册示例：

#include <signal.h>

void signal_handler(int sig) {
    // 信号处理逻辑
}

int main() {
    // 注册SIGINT的信号处理函数
    signal(SIGINT, signal_handler);
    
    while(1) {
        // 主程序循环
    }
    return 0;
}

信号处理的重要特性：

不可靠信号问题：

• 早期UNIX信号可能丢失（相同信号多次发生只记录一次）
• 信号处理函数执行期间，同种信号可能被自动阻塞
• 现代系统通过实时信号解决了这个问题

信号掩码（Signal Mask）：

• 每个进程有信号掩码，定义当前被阻塞的信号集合
• 被阻塞的信号将延迟递送，直到解除阻塞
• 使用sigprocmask()函数设置信号掩码

可重入函数：

• 信号处理函数必须使用可重入函数（如write()）
• 避免使用非可重入函数（如malloc、printf）
• 因为信号可能在任何时刻中断主程序执行

实际应用场景：

1. 优雅退出：捕获SIGTERM信号进行资源清理
2. 子进程管理：父进程捕获SIGCHLD避免僵尸进程
3. 超时控制：使用SIGALRM实现操作超时
4. 调试支持：使用SIGTRAP进行程序调试

信号机制的局限性：

• 信息量有限（只能传递信号编号）
• 优先级问题（所有信号平等，无优先级区分）
• 实时性不如硬件中断
• 复杂的信号处理可能引入竞态条件

通过理解信号机制，可以更好地处理进程异常、实现进程间协调，并编写更健壮的系统程序。