Unix/Linux 系统编程中用于管理信号处理行为的核心概念或模型

在 Unix/Linux 系统编程中，管理信号处理行为涉及以下核心概念和模型，它们共同构成了信号处理的框架：

---

1. 信号（Signal）模型

• 软件中断：信号是异步事件通知机制，类比硬件中断
• 预定义类型 ：SIGINT (Ctrl+C)、SIGTERM (终止请求)、SIGSEGV (段错误) 等标准信号
• 生命周期 ：
  1. 生成（Generation）：事件触发信号产生
  2. 递送（Delivery）：内核将信号传递给目标进程
  3. 处理（Handling）：进程执行注册的处理动作

---

2. 信号处理行为控制

行为类型	说明	设置方式
默认行为	系统预定义行为（终止/忽略/暂停）	SIG_DFL
忽略信号	丢弃信号不做任何响应	SIG_IGN
自定义处理函数	用户注册的信号处理例程	函数指针

---

3. 关键控制机制

(1) 信号阻塞（Blocking）

• 目的：临时阻止信号递送

• 实现 ：

  sigset_t mask;
  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGINT);
  sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  // 阻塞SIGINT

• 特点 ：

  • 被阻塞的信号处于**挂起（Pending）**状态
  • sigpending() 可获取挂起信号集
  • 解除阻塞后立即递送

(2) 信号屏蔽（Masking）

• 执行处理函数时自动生效 ：
  • 当前处理的信号自动被屏蔽（除非设置 SA_NODEFER）
  • 通过 sa_mask 指定额外屏蔽的信号集
• 作用：防止信号处理函数被重入

---

4. 信号处理模型

(1) 单次处理模型

struct sigaction sa = {
    .sa_handler = handler,
    .sa_flags = SA_RESETHAND  // 处理一次后恢复默认行为
};

• 特点 ：类似传统 signal() 的行为
• 风险：信号再次发生时可能触发默认行为（如终止进程）

(2) 持久处理模型

struct sigaction sa = {
    .sa_handler = handler,
    .sa_flags = 0  // 持续有效
};

• 特点：处理函数保持激活状态
• 最佳实践：配合信号阻塞使用

(3) 实时信号处理模型

struct sigaction sa = {
    .sa_sigaction = rt_handler,
    .sa_flags = SA_SIGINFO | SA_RESTART
};

• 特点 ：

  • 支持信号排队（避免丢失）
  • 可携带附加信息（发送者PID、错误地址等）
  • 使用 sigqueue() 发送：

  union sigval value = {.sival_int = 42};
  sigqueue(pid, SIGRTMIN+1, value);

---

5. 关键系统调用

系统调用	用途
sigaction()	注册信号处理行为（核心接口）
sigprocmask()	控制进程信号屏蔽集
sigsuspend()	原子操作：设置屏蔽集 + 等待信号
kill()/raise()	发送信号（跨进程/自身）
sigaltstack()	设置备选信号栈（处理栈溢出信号）

---

6. 特殊处理场景

(1) 系统调用中断处理

• 问题 ：慢速系统调用（如 read()）被信号中断

• 解决方案 ：

  struct sigaction sa = {
      .sa_handler = handler,
      .sa_flags = SA_RESTART  // 自动重启被中断的系统调用
  };

(2) 信号竞争处理

• 临界区保护模式 ：

  sigset_t new_mask, old_mask;
  sigemptyset(&new_mask);
  sigaddset(&new_mask, SIGINT);
  
  // 进入临界区前阻塞信号
  sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask, &old_mask);
  
  /* 临界区代码（不会被SIGINT中断） */
  
  // 等待可能发生的信号
  sigsuspend(&old_mask);
  
  // 恢复原始屏蔽集
  sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL);

(3) 子进程终止处理

void sigchld_handler(int sig) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0); // 非阻塞回收所有僵尸进程
}

// 注册处理
struct sigaction sa = {
    .sa_handler = sigchld_handler,
    .sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP
};
sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);

---

7. 安全编程模型

1. 异步信号安全（Async-signal-safe）：

   • 信号处理函数中只能调用 异步安全函数（如 write(), _exit()）
   • 禁止调用 非可重入函数（malloc, printf 等）

2. 自包含状态：

   volatile sig_atomic_t flag = 0;  // 信号安全标志
   
   void handler(int sig) {
       flag = 1;  // 仅设置标志，主循环中处理
   }

3. 备选信号栈：

   stack_t ss = {
       .ss_sp = malloc(SIGSTKSZ), 
       .ss_size = SIGSTKSZ
   };
   sigaltstack(&ss, NULL);  // 设置备选栈
   
   struct sigaction sa = {
       .sa_handler = handler,
       .sa_flags = SA_ONSTACK  // 使用备选栈
   };

---

概念关系图

+---------------------+
|   信号产生源         | (硬件/内核/进程)
+----------+----------+
           | 生成信号
           v
+---------------------+
|   内核信号队列       | (实时信号排队)
+----------+----------+
           | 递送决策
           v
+---------------------+  阻塞？   +----------+
|   进程信号屏蔽集     +--------->| 挂起状态 |
+----------+----------+          +----------+
           | 未阻塞？
           v
+---------------------+
|   信号处理分发       |
|  +----------------+ |
|  | 默认行为处理    | |
|  | 忽略信号       | |
|  | 自定义处理函数  | |
|  +----------------+ |
+---------------------+
           |
           v
+---------------------+
|   处理函数执行环境   |
|  - 自动信号屏蔽     |
|  - 备选信号栈       |
|  - 中断系统调用     |
+---------------------+

这些核心概念共同构成了 Unix/Linux 信号处理的完整模型，开发者需要理解其交互机制才能编写出健壮可靠的信号处理代码。