C语言信号编程深入研究

信号是操作系统向进程发送的一种软件中断，用于通知进程发生了某种特殊情况或异常事件。本篇文章将详细介绍如何使用C语言处理信号，包括基本的信号处理、自定义信号处理函数以及一些高级主题。

1. 引言

信号处理是操作系统与进程之间的一种通信机制。在C语言中，信号处理通常涉及捕获特定信号并在程序中执行相应的处理动作。本指南旨在提供一个全面的框架，帮助读者深入了解信号处理的基本原理和实践技巧。

2. 信号基础

2.1 信号类型

信号是由操作系统定义的一组特定的数字标识符。每个信号都有一个名称和一个关联的数字。以下是一些常见的信号：

• SIGINT：中断信号（通常是Ctrl+C）。
• SIGTERM：终止信号。
• SIGKILL：强制终止信号。
• SIGSEGV：段错误信号（内存访问违规）。
• SIGALRM：定时器信号。

2.2 信号默认行为

每种信号都有一个默认的行为。例如，SIGINT和SIGTERM的默认行为是终止进程。SIGKILL总是终止进程，而不能被捕捉或忽略。

默认行为举例

• SIGINT：默认行为是终止进程。
• SIGTERM：默认行为是终止进程。
• SIGKILL：强制终止进程，不能被捕捉或忽略。
• SIGSEGV：默认行为是终止进程。
• SIGALRM：默认行为是终止进程。

2.3 捕捉和忽略信号

可以使用signal()函数来指定信号处理函数，或者使用sigaction()函数来更精细地控制信号处理方式。还可以使用sigignore()来忽略某个信号。

使用signal()函数

void signal_handler(int signum) {
    printf("Caught signal %d\n", signum);
    // 进行清理工作后退出
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler); // 设置SIGINT信号处理函数
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

使用sigaction()函数

void signal_handler(int signum) {
    printf("Caught signal %d\n", signum);
    // 进行清理工作后退出
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL); // 设置SIGINT信号处理函数
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

2.4 信号掩码

信号掩码用于控制哪些信号会被阻塞。当一个信号被阻塞时，该信号不会被传递给进程，直到信号被取消阻塞为止。

sigset_t mask;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGINT); // 添加SIGINT到掩码中
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL); // 阻塞SIGINT

2.5 信号传递机制

信号的传递机制涉及到信号的产生、传递以及最终的处理。当一个信号被发送给进程时，操作系统会将其记录在进程的状态中，直到信号被处理。

• 信号产生：信号可以由多种途径产生，例如用户输入（如Ctrl+C）、硬件故障（如内存访问违规）或软件定时器。
• 信号传递：信号被记录在进程的状态中，并且当适当的条件满足时（例如，信号不再被阻塞），信号将被传递给进程。
• 信号处理：信号最终会被处理，这可以通过调用信号处理函数来实现。

3. 自定义信号处理

3.1 使用signal()函数

虽然signal()函数简单易用，但它有一些限制。例如，它不能区分同步和异步信号处理函数，也不能传递额外的参数。因此，推荐使用sigaction()函数。

信号处理函数的限制

• 不可重入：signal()函数设置的信号处理函数不是可重入的，这意味着它们不能在多线程环境下安全使用。
• 不支持额外参数：signal()函数设置的信号处理函数不支持传递额外参数。

3.2 使用sigaction()函数

sigaction()函数提供了更多的灵活性，可以设置同步或异步信号处理函数，以及信号掩码。

void signal_handler(int signum) {
    printf("Caught signal %d\n", signum);
    // 进行清理工作后退出
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL); // 设置SIGINT信号处理函数
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

3.3 信号处理函数的注意事项

• 同步处理：同步信号处理函数必须尽快返回，以避免长时间阻塞其他线程。
• 异步安全：异步信号处理函数必须是异步安全的，即它们只能调用异步安全的函数。
• 避免递归：避免在信号处理函数中递归调用自身或其他可能再次触发相同信号的函数。

异步安全函数列表

在POSIX标准中，有一份异步安全函数列表，这些函数可以在信号处理函数中安全地调用。例如：

• abort()：终止进程。
• exit()：终止进程。
• fprintf(stderr, ...)：向标准错误输出打印消息。
• fwrite(..., stderr)：向标准错误输出写入数据。
• printf()：打印格式化字符串。

4. 高级主题

4.1 信号集

信号集是一个用于表示一组信号的数据结构。可以使用sigemptyset()、sigfillset()、sigaddset()等函数来创建和修改信号集。

sigset_t mask;
sigemptyset(&mask); // 创建一个空的信号集
sigaddset(&mask, SIGINT); // 添加SIGINT到信号集中
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL); // 阻塞信号集中所有的信号

4.2 信号处理函数的类型

• 同步处理：使用sa_handler字段指定一个函数作为信号处理函数。这种处理方式会暂停当前正在执行的线程，直到信号处理函数返回。
• 异步处理：使用sa_sigaction字段指定一个函数作为信号处理函数。这种处理方式不会暂停当前正在执行的线程，而是允许其他线程继续执行。

void async_signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("Caught signal %d asynchronously\n", signum);
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_sigaction = async_signal_handler;
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO; // 标记为异步信号处理函数
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.3 信号同步

在多线程环境中，可以使用信号来同步线程。例如，可以使用信号来通知主线程某个任务已完成。

void *worker_thread(void *arg) {
    // 执行任务...
    raise(SIGCHLD); // 发送SIGCHLD信号通知主线程
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, worker_thread, NULL);
    
    // 等待SIGCHLD信号
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = SIG_IGN; // 忽略SIGCHLD信号
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);
    
    pause(); // 等待信号
    // 任务完成，继续执行其他代码
    
    return 0;
}

4.4 信号与多线程

在多线程程序中，信号可以被任何线程捕获。为了确保信号处理的一致性，可以使用pthread_sigmask()函数来控制信号的传递。

void *worker_thread(void *arg) {
    // 阻塞SIGINT信号
    sigset_t mask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGINT);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);
    
    // 线程主循环
    while (1) {
        // ...
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, worker_thread, NULL);
    
    // 在主线程中处理SIGINT信号
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
    
    while (1) {
        // 主线程主循环
    }
    return 0;
}

4.5 信号与定时器

除了处理外部信号外，还可以使用信号来实现定时器功能。POSIX提供了alarm()和setitimer()函数来创建基于信号的定时器。

使用alarm()函数

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 重新设置定时器
    alarm(5); // 再次设置5秒定时器
}

int main() {
    signal(SIGALRM, timer_handler); // 设置SIGALRM信号处理函数
    alarm(5); // 设置5秒定时器
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

使用setitimer()函数

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 重新设置定时器
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.6 信号与进程间通信

信号不仅可以用于进程内部的控制，还可以用于进程间的通信。例如，父进程可以使用信号来通知子进程某些事件的发生。

void *child_thread(void *arg) {
    // 等待SIGUSR1信号
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = SIG_IGN; // 忽略SIGUSR1信号
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
    
    pause(); // 等待信号
    // 收到信号后执行任务
    
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, child_thread, NULL);
    
    // 在主线程中发送SIGUSR1信号
    kill(getpid(), SIGUSR1);
    
    while (1) {
        // 主线程主循环
    }
    return 0;
}

4.7 信号与进程控制

信号可以用于控制进程的生命周期，例如终止进程、挂起进程或恢复进程。

void signal_handler(int signum) {
    switch (signum) {
        case SIGINT:
            printf("Caught SIGINT, exiting...\n");
            exit(EXIT_SUCCESS);
            break;
        case SIGTSTP:
            printf("Caught SIGTSTP, suspending...\n");
            raise(SIGSTOP); // 挂起进程
            break;
        case SIGCONT:
            printf("Caught SIGCONT, continuing...\n");
            break;
        default:
            printf("Caught unknown signal %d\n", signum);
            break;
    }
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
    sigaction(SIGTSTP, &sa, NULL);
    sigaction(SIGCONT, &sa, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.8 信号与调试

信号可以用于调试程序，例如设置断点、查看堆栈跟踪等。

void signal_handler(int signum) {
    switch (signum) {
        case SIGSEGV:
            printf("Caught SIGSEGV, dumping stack trace...\n");
            // 调用gdb的堆栈跟踪函数
            // gdb_backtrace();
            break;
        default:
            printf("Caught unknown signal %d\n", signum);
            break;
    }
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGSEGV, &sa, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

5. 结论

本文介绍了使用C语言进行信号处理的基础知识，并探讨了一些高级主题。信号处理是一个复杂但非常有用的领域，掌握这些技能对于编写健壮和响应迅速的程序至关重要。通过上述例子，你已经了解了如何处理常见的信号，并且能够处理一些复杂的场景，如多线程环境下的信号同步。