什么是信号处理？如何处理信号？

C语言信号处理详解

第一部分：什么是信号？

信号是一种进程间通信的机制，用于通知进程发生了某种事件或异常情况。在C语言中，信号是一种软件中断，它可以被操作系统或其他进程发送给目标进程。每个信号都有一个唯一的数字标识符，称为信号编号（Signal Number）。例如，常见的信号包括SIGINT（中断进程）、SIGTERM（终止进程）、SIGSEGV（段错误）等。

信号可以用于以下几种情况：

1. 进程间通信：一个进程可以向另一个进程发送信号，以通知它某个事件的发生或请求其执行某个操作。

2. 异常处理：操作系统可以向进程发送信号，以通知它发生了某个异常情况，例如除零错误、段错误等。

3. 用户交互：用户可以通过键盘或终端发送信号来与正在运行的程序交互，例如使用Ctrl+C发送SIGINT信号来中断程序的执行。

第二部分：信号的基本操作

2.1 发送信号

在C语言中，可以使用kill函数或raise函数来向目标进程发送信号。

#include 
 
int kill(pid_t pid, int sig);
int raise(int sig);

• kill函数用于向指定的进程发送信号sig，pid参数指定了目标进程的进程ID。如果pid为正数，则表示发送信号给进程ID为pid的进程；如果pid为0，则表示发送信号给当前进程所在进程组的所有进程；如果pid为-1，则表示发送信号给当前用户的所有进程；如果pid小于-1，则表示发送信号给进程组ID等于pid的所有进程。

• raise函数用于向当前进程发送信号sig。

2.2 接收信号

要在C程序中接收信号，可以使用signal函数或sigaction函数来注册信号处理函数。

2.2.1 signal函数

signal函数用于注册信号处理函数，其原型如下：

#include 
 
void (*signal(int sig, void (*handler)(int)))(int);

• sig参数指定了要处理的信号，例如SIGINT、SIGTERM等。
• handler参数是一个函数指针，指向处理该信号的函数。

以下是一个使用signal函数注册信号处理函数的示例：

#include 
#include 
#include 
 
void sigint_handler(int signo) {
    printf("Received SIGINT signal (%d).\n", signo);
}
 
int main() {
    // 注册SIGINT信号处理函数
    signal(SIGINT, sigint_handler);
 
    while (1) {
        sleep(1); // 模拟程序执行
    }
 
    return 0;
}

在上面的示例中，当程序接收到Ctrl+C信号（SIGINT）时，将调用sigint_handler函数来处理该信号。

2.2.2 sigaction函数

sigaction函数提供了更加灵活的信号处理方式，其原型如下：

#include 
 
int sigaction(int sig, const struct sigaction *restrict act, struct sigaction *restrict oldact);

• sig参数指定了要处理的信号，例如SIGINT、SIGTERM等。
• act参数是一个指向struct sigaction结构的指针，用于设置信号处理的行为。
• oldact参数是一个指向struct sigaction结构的指针，用于获取之前的信号处理行为。

struct sigaction结构定义如下：

struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int); // 信号处理函数
    sigset_t sa_mask;        // 信号屏蔽字集合
    int sa_flags;            // 信号处理标志
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 信号处理函数（扩展）
};

以下是一个使用sigaction函数注册信号处理函数的示例：

#include 
#include 
#include 
 
void sigint_handler(int signo) {
    printf("Received SIGINT signal (%d).\n", signo);
}
 
int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigint_handler;
    sa.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
 
    // 注册SIGINT信号处理函数
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
 
    while (1) {
        sleep(1); // 模拟程序执行
    }
 
    return 0;
}

sigaction函数允许更灵活地控制信号处理，可以设置额外的标志和信号屏蔽。

2.3 信号默认操作

每个信号都有一个默认操作，例如终止进程、中断进程等。可以使用signal函数的第二个参数来指定信号处理函数，或者将信号处理函数设置为SIG_IGN（忽略信号）或SIG_DFL（恢复默认操作）。

以下是一些常见的信号默认操作：

• SIGINT（Ctrl+C）默认操作是中断进程。
• SIGTERM默认操作是终止进程。
• SIGQUIT（Ctrl+\）默认操作是终止进程并生成核心转储文件。
• SIGHUP默认操作是终止进程，通常用于重新加载配置。
• SIGKILL默认操作是强制终止进程，无法被捕获或忽略。

第三部分：信号处理函数

信号处理函数是用户自定义的函数，用于处理特定信号的发生。信号处理函数的原型通常是：

void handler_function(int signo);

• signo参数指定了触发信号处理函数的信号编号。

信号处理函数可以执行各种操作，例如记录日志、清理资源、继续执行等。然而，由于信号处理函数在信号发生时异步执行，因此需要谨慎编写，避免使用不可重入函数、全局变量等可能导致不确定行为的操作。

以下是一个示例，演示如何编写一个简单的信号处理函数：

#include 
#include 
#include 
 
void sigint_handler(int signo) {
    printf("Received SIGINT signal (%d).\n", signo);
}
 
int main() {
    // 注册SIGINT信号处理函数
    signal(SIGINT, sigint_handler);
 
    while (1) {
        sleep(1); // 模拟程序执行
    }
 
    return 0;
}

在上面的示例中，sigint_handler函数用于处理SIGINT信号的发生，它简单地打印一条消息。

第四部分：信号的处理方式

信号的处理方式分为以下几种：

4.1 忽略信号

可以通过将信号处理函数设置为SIG_IGN来忽略信号。例如，要忽略SIGINT信号，可以这样做：

#include 
 
int main() {
    signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略SIGINT信号
 
    while (1) {
        // 程序不会响应Ctrl+C
    }
 
    return 0;
}

4.2 捕获信号

通过注册信号处理函数，可以捕获信号并在发生时执行特定操作。示例如前面所示。

4.3 恢复默认操作

可以将信号处理函数设置为SIG_DFL，以恢复信号的默认操作。例如，要恢复SIGINT信号的默认操作，可以这样做：

#include 
 
int main() {
    signal(SIGINT, SIG_DFL); // 恢复SIGINT信号的默认操作
 
    while (1) {
        // Ctrl+C将中断进程
    }
 
    return 0;
}

4.4 阻塞信号

可以使用sigprocmask函数来阻塞或解除阻塞信号。阻塞信号意味着信号将被排队，不会立即传递给进程。当信号解除阻塞时，排队的信号将被传递给进程。

        

#include 
#include 
#include 
 
void sigint_handler(int signo) {
    printf("Received SIGINT signal (%d).\n", signo);
}
 
int main() {
    sigset_t mask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGINT);
 
    // 阻塞SIGINT信号
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);
 
    // 注册SIGINT信号处理函数
    signal(SIGINT, sigint_handler);
 
    while (1) {
        sleep(1);
        printf("Working...\n");
    }
 
    return 0;
}

在上面的示例中，sigprocmask函数用于阻塞SIGINT信号，直到解除阻塞时才会执行信号处理函数。

4.5 发送信号

前面已经介绍了如何使用kill函数或raise函数来向进程发送信号。

第五部分：信号处理的注意事项

5.1 信号不可靠性

信号处理是一种异步操作，因此存在信号不可靠性的问题。例如，如果在两次信号之间处理函数没有完成，第二个信号可能会丢失。因此，在信号处理函数中应谨慎使用全局变量、不可重入函数等。

5.2 信号重入

信号处理函数应该是可重入的，即可以在信号处理函数执行期间再次接收到相同信号而不会导致问题。要实现可重入性，可以使用sigaction函数注册信号处理函数，同时在信号处理函数中避免使用全局变量和不可重入函数。

5.3 信号与系统调用

在系统调用期间，通常会将信号屏蔽（阻塞），以避免在关键操作期间接收到信号导致不一致性。一些系统调用会自动恢复信号屏蔽，但一些不会。因此，在系统调用中要注意信号处理的状态。

5.4 信号与多线程

多线程程序中，每个线程都有自己的信号屏蔽状态。默认情况下，新线程会继承创建它的线程的信号屏蔽状态。因此，在多线程程序中要小心管理信号屏蔽状态，以确保线程间的信号不会相互干扰。

第六部分：总结

信号处理是C语言中处理异步事件和异常情况的重要机制。本文介绍了信号的基本概念、信号的发送和接收、信号处理函数的编写方式、信号的处理方式以及注意事项。了解信号处理可以帮助程序员更好地处理各种情况下的信号，提高程序的健壮性和可靠性。在实际编程中，要谨慎处理信号，避免不可预测的行为，保证程序的稳定性。