从“快递签收规则”看 sigaction：信号处理的“总开关”

青草地溪水旁2025-10-04 14:28

一、从"快递签收规则"看 sigaction：信号处理的"总开关"

生活中，我们总会收到各种通知------快递到了、电话来了、闹钟响了。为了应对这些通知，我们会提前制定规则：快递放驿站、陌生电话拒接、闹钟响后起床。在 Linux 系统中，"信号"就像这些通知（比如程序出错时的 SIGSEGV、用户按 Ctrl+C 发送的 SIGINT），而 sigaction 结构体就是用来定义"信号处理规则"的核心工具。

简单说，sigaction 结构体是 Linux 系统中描述信号处理方式的"数据模板"，它包含了四个关键信息：用什么函数处理信号（处理者）、处理期间要屏蔽哪些其他信号（免打扰设置）、处理时的特殊行为（附加规则）、以及一个遗留的恢复函数（历史产物）。通过这个结构体，我们能精确控制程序对每个信号的响应方式，比早期的 signal() 函数更灵活、更强大。

比如，当程序收到 SIGINT 信号（Ctrl+C）时，你可以通过 sigaction 定义：调用自定义函数打印"收到中断信号"，处理期间不响应 SIGQUIT 信号（避免被打断），并且处理完后自动恢复默认行为------这些细致的控制都离不开 sigaction 结构体的设计。

二、sigaction 结构体的"家庭成员"：各成员详解

sigaction 结构体定义在 <signal.h> 头文件中，其原型如下（不同系统可能略有差异，但核心成员一致）：

c 复制代码 
struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);  // 信号处理函数（或特殊值）
    sigset_t sa_mask;         // 信号屏蔽集（处理期间屏蔽的信号）
    int sa_flags;             // 标志位（控制处理行为的选项）
    void (*sa_restorer)(void); // 恢复函数（已废弃，不建议使用）
};

这四个成员就像"处理规则表"的四个栏目，共同决定了信号的处理逻辑。

1. sa_handler：信号的"处理者"

sa_handler 是一个函数指针，指向信号发生时要执行的函数，原型为 void (*)(int)，参数是信号编号（比如 SIGINT 是 2，SIGTERM 是 15）。除了自定义函数，它还可以取两个特殊值：

  • SIG_DFL：使用默认处理方式。不同信号的默认行为不同，比如 SIGINT 默认是终止程序，SIGQUIT 默认是终止程序并生成核心转储文件。
  • SIG_IGN：忽略该信号。程序收到后不做任何处理，就像没收到一样（但有两个信号无法忽略：SIGKILL（9）和 SIGSTOP（19），这是系统保留的"终极控制信号"）。

举个例子：如果 sa_handler = SIG_IGN，那么程序会忽略对应的信号；如果 sa_handler = my_handler，则会调用 void my_handler(int signo) 函数处理。

2. sa_mask：处理期间的"免打扰名单"

sa_mask 是一个 sigset_t 类型的信号集（可以理解为一个"信号黑名单"），用于指定在处理当前信号时，哪些信号需要被暂时屏蔽（阻塞）。

比如，假设程序正在处理 SIGINT 信号，而 sa_mask 中包含 SIGQUIT，那么在处理 SIGINT 的过程中，如果收到 SIGQUIT 信号，系统会暂时把它"存起来"，等 SIGINT 处理完再处理（除非被忽略或设置了其他规则）。

需要注意的是，当前正在处理的信号会被自动加入 sa_mask 中（即使不手动添加），避免同一信号被嵌套处理。比如处理 SIGINT 时，再次收到 SIGINT 会被阻塞，直到当前处理完成。

3. sa_flags：处理行为的"附加规则"

sa_flags 是一个整数，通过设置不同的标志位（用 | 组合），可以改变信号处理的行为。常用的标志有：

  • SA_RESTART：使被信号中断的系统调用自动重启。比如程序正在调用 read() 等待输入，此时收到信号，处理完后 read() 会继续等待，而不是返回 -1 并设置 errno=EINTR。
  • SA_NOCLDSTOP：针对 SIGCHLD 信号（子进程状态变化时发送），当子进程暂停或继续时，不发送 SIGCHLD 信号（只在子进程终止时发送）。
  • SA_NOCLDWAIT：子进程终止时不成为僵尸进程，系统会自动回收其资源（此时无法用 wait() 获取子进程状态）。
  • SA_NODEFER：默认情况下，处理信号时会屏蔽该信号本身（避免嵌套），设置此标志后，不屏蔽当前信号（可能导致同一信号被多次嵌套处理，慎用）。
  • SA_ONSTACK：使用替代栈（通过 sigaltstack() 设置）处理信号，避免因栈溢出导致程序崩溃。
  • SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 成员作为处理函数（而不是 sa_handler），该函数能接收更详细的信号信息（比如信号来源、附加数据等）。此时需要将结构体视为：
c 复制代码 
struct sigaction {
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);  // 带详细信息的处理函数
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};

（注：sa_handler 和 sa_sigaction 共用同一块内存，设置 SA_SIGINFO 后，应使用 sa_sigaction）

4. sa_restorer：被遗忘的"历史遗留者"

sa_restorer 是一个函数指针，用于在信号处理完成后恢复某些系统状态。这个成员是早期 libc 实现的遗留物，现在已经被废弃，在现代 Linux 系统中不需要设置（设置了也会被忽略），因此实际编程中通常将其设为 NULL 或忽略。

三、"激活"规则：sigaction() 系统调用

定义好 sigaction 结构体后，需要通过 sigaction() 系统调用来"激活"这个规则，让系统知道如何处理指定信号。该函数原型如下：

c 复制代码 
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
  • signum：要设置处理规则的信号编号（如 SIGINT、SIGTERM 等，不能是 SIGKILL 或 SIGSTOP，因为它们无法被捕获或修改处理方式）。
  • act：指向新的 sigaction 结构体，包含要设置的处理规则。如果为 NULL，则只获取当前规则，不修改。
  • oldact：用于保存原来的 sigaction 结构体（以便后续恢复），如果为 NULL，则不保存。
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno（如 EINVAL 表示信号编号无效）。

比如，要为 SIGINT 信号设置处理规则，步骤是：

  1. 初始化 sigaction 结构体，设置 sa_handler、sa_mask、sa_flags 等。
  2. 调用 sigaction(SIGINT, &new_act, &old_act) 激活新规则，同时保存旧规则。
  3. （可选）需要时，调用 sigaction(SIGINT, &old_act, NULL) 恢复旧规则。

四、使用示例：sigaction 结构体的实战场景

示例 1：基础用法------自定义处理 SIGINT 信号

这个示例展示如何用 sigaction 结构体自定义处理 SIGINT 信号（Ctrl+C），替代默认的终止程序行为。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

// 自定义信号处理函数
void sigint_handler(int signo) {
    printf("\n收到 SIGINT 信号（编号：%d），我被中断了，但不会退出！\n", signo);
    printf("再按 Ctrl+C 试试...\n");
}

int main() {
    struct sigaction act;

    // 1. 设置处理函数
    act.sa_handler = sigint_handler;  // 指向自定义函数

    // 2. 初始化信号屏蔽集（处理期间屏蔽 SIGQUIT）
    sigemptyset(&act.sa_mask);  // 先清空
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGQUIT);  // 加入 SIGQUIT（Ctrl+\）

    // 3. 设置标志位（无特殊行为）
    act.sa_flags = 0;

    // 4. 激活规则（处理 SIGINT 信号）
    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction 设置失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("程序启动，按 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号，按 Ctrl+\\ 发送 SIGQUIT 信号，按 Ctrl+Z 退出...\n");

    // 无限循环，等待信号
    while (1) {
        pause();  // 暂停进程，等待信号
        printf("信号处理完成，继续等待...\n");
    }

    return 0;
}

代码说明：

  1. 定义 sigint_handler 函数，收到 SIGINT 时打印提示信息，不终止程序。
  2. 初始化 sigaction 结构体：sa_handler 设为自定义函数，sa_mask 加入 SIGQUIT（处理 SIGINT 时屏蔽 Ctrl+\），sa_flags 为 0（默认行为）。
  3. 用 sigaction() 激活规则，然后进入循环等待信号（pause() 会暂停进程，直到收到信号）。
示例 2：SA_RESTART 标志------让系统调用自动重启

这个示例展示 SA_RESTART 标志的作用：当系统调用（如 read()）被信号中断时，会自动重启，而不是返回错误。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

// 信号处理函数
void sigusr1_handler(int signo) {
    printf("\n收到 SIGUSR1 信号（编号：%d），正在处理...\n", signo);
    sleep(2);  // 模拟处理耗时
    printf("SIGUSR1 处理完成\n");
}

int main() {
    struct sigaction act;
    char buf[1024];

    // 设置处理函数
    act.sa_handler = sigusr1_handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = SA_RESTART;  // 关键：设置 SA_RESTART 标志

    // 激活 SIGUSR1 信号的处理规则
    if (sigaction(SIGUSR1, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction 设置失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("程序启动，PID = %d\n", getpid());
    printf("请输入字符串（输入后按回车）：\n");

    // 调用 read() 读取标准输入（可能被信号中断）
    ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (n == -1) {
        perror("read 失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    buf[n] = '\0';
    printf("你输入了：%s\n", buf);

    return 0;
}

代码说明：

  1. 定义 sigusr1_handler 函数，处理 SIGUSR1 信号（用户自定义信号），模拟耗时 2 秒。
  2. 初始化 sigaction 结构体时设置 sa_flags = SA_RESTART，表示被信号中断的系统调用会自动重启。
  3. 程序启动后，调用 read() 等待用户输入。此时如果另一个终端发送 SIGUSR1 信号（kill -USR1 程序PID），程序会先处理信号，处理完成后 read() 会继续等待输入，而不是返回错误。

如果去掉 SA_RESTART 标志，信号处理完成后 read() 会返回 -1 并设置 errno=EINTR，程序会打印"read 失败"。

示例 3：SA_SIGINFO 标志------获取详细信号信息

这个示例展示 SA_SIGINFO 标志的用法：使用 sa_sigaction 作为处理函数，获取信号的详细信息（如发送者 PID、附加数据等）。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

// 带详细信息的信号处理函数（SA_SIGINFO 模式）
void siginfo_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("\n收到信号：%d\n", signo);
    printf("信号来源 PID：%d\n", info->si_pid);  // 发送信号的进程 PID
    printf("发送者 UID：%d\n", info->si_uid);    // 发送者的用户 ID
    if (signo == SIGUSR1) {
        printf("这是 SIGUSR1 信号\n");
    } else if (signo == SIGUSR2) {
        printf("这是 SIGUSR2 信号\n");
    }
}

int main() {
    struct sigaction act;

    // 设置 SA_SIGINFO 模式：使用 sa_sigaction 作为处理函数
    act.sa_sigaction = siginfo_handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;  // 关键：启用详细信息模式

    // 为 SIGUSR1 和 SIGUSR2 设置相同的处理规则
    if (sigaction(SIGUSR1, &act, NULL) == -1 || sigaction(SIGUSR2, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction 设置失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("程序启动，PID = %d\n", getpid());
    printf("发送 SIGUSR1：kill -USR1 %d\n", getpid());
    printf("发送 SIGUSR2：kill -USR2 %d\n", getpid());
    printf("等待信号...\n");

    // 无限循环等待信号
    while (1) {
        pause();
    }

    return 0;
}

代码说明：

  1. 定义 siginfo_handler 函数，参数包括信号编号（signo）、信号信息结构体（siginfo_t *info）、上下文（void *context），能获取比 sa_handler 更详细的信息。
  2. 初始化 sigaction 结构体时，sa_sigaction 设为自定义函数，sa_flags 设为 SA_SIGINFO，启用详细信息模式。
  3. 为 SIGUSR1 和 SIGUSR2 信号设置处理规则，启动后在另一个终端发送这两个信号，程序会打印信号来源的 PID、UID 等信息。

siginfo_t 结构体包含多种信号相关信息，比如对于 SIGSEGV（段错误），可以通过 info->si_addr 获取导致错误的内存地址。

五、编译与运行：让示例代码跑起来

三个示例均为 C 代码，用 gcc 编译即可，无需链接额外库（信号处理函数属于标准 C 库）。

编译命令

  • 示例 1：

    bash 复制代码 
    gcc -o sigaction_basic sigaction_basic.c -Wall

  • 示例 2：

    bash 复制代码 
    gcc -o sigaction_restart sigaction_restart.c -Wall

  • 示例 3：

    bash 复制代码 
    gcc -o sigaction_siginfo sigaction_siginfo.c -Wall
运行方法

  • 示例 1：

    bash 复制代码 
    ./sigaction_basic

    运行后按 Ctrl+C（发送 SIGINT），会触发自定义处理函数；按 Ctrl+\（发送 SIGQUIT），如果此时正在处理 SIGINT，SIGQUIT 会被屏蔽，直到 SIGINT 处理完成才会执行默认行为（终止程序并生成核心转储）。

  • 示例 2：

    bash 复制代码 
    ./sigaction_restart

    程序启动后，在另一个终端执行 kill -USR1 程序PID（PID 会在程序启动时打印），程序会处理 SIGUSR1 信号，2 秒后 read() 继续等待输入，输入内容后程序会正常打印。如果注释掉 act.sa_flags = SA_RESTART，信号处理后 read() 会返回错误。

  • 示例 3：

    bash 复制代码 
    ./sigaction_siginfo

    在另一个终端分别执行 kill -USR1 程序PID 和 kill -USR2 程序PID，程序会打印信号编号、发送者 PID 和 UID 等信息。

注意事项
  1. 信号屏蔽的范围：sa_mask 中设置的屏蔽信号仅在当前信号处理期间有效，处理完成后会自动恢复原来的屏蔽集，不会影响其他时候的信号处理。
  2. SA_RESTART 的局限性：并非所有系统调用都支持自动重启（如 select()、poll() 等 I/O 多路复用函数就不支持），具体可参考 man 手册。
  3. 信号处理函数的安全性：信号处理函数应尽量简单，避免调用不可重入函数（如 printf() 虽然常用，但严格来说在信号处理中不保证安全，实际开发中需谨慎）。
  4. 核心信号不可修改：SIGKILL（9）和 SIGSTOP（19）无法通过 sigaction 修改处理方式，系统会忽略对它们的设置请求。

六、执行结果分析：理解信号处理的逻辑

示例 1 结果分析

运行程序后输出：

复制代码 
程序启动，按 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号，按 Ctrl+\ 发送 SIGQUIT 信号，按 Ctrl+Z 退出...

按 Ctrl+C 后，触发 sigint_handler：

复制代码 
收到 SIGINT 信号（编号：2），我被中断了，但不会退出！
再按 Ctrl+C 试试...
信号处理完成，继续等待...

此时如果按 Ctrl+\（发送 SIGQUIT），由于 sa_mask 中包含 SIGQUIT，信号会被屏蔽，直到当前处理完成。再次按 Ctrl+C，会重复上述过程；如果在处理 SIGINT 时按 Ctrl+\，SIGQUIT 会在 SIGINT 处理完成后立即执行默认行为（终止程序）。

这说明 sa_mask 成功在信号处理期间屏蔽了指定信号，避免了处理过程被干扰。

示例 2 结果分析

带 SA_RESTART 标志时，程序启动后输出：

复制代码 
程序启动，PID = 12345
请输入字符串（输入后按回车）：

在另一个终端执行 kill -USR1 12345 后，程序输出：

复制代码 
收到 SIGUSR1 信号（编号：10），正在处理...
SIGUSR1 处理完成

之后 read() 继续等待输入，输入"hello"并回车后：

复制代码 
你输入了：hello

程序正常结束，说明 SA_RESTART 让被中断的 read() 自动重启。

如果去掉 SA_RESTART 标志，信号处理完成后 read() 会返回 -1，输出：

复制代码 
read 失败: Interrupted system call
示例 3 结果分析

程序启动后输出：

复制代码 
程序启动，PID = 67890
发送 SIGUSR1：kill -USR1 67890
发送 SIGUSR2：kill -USR2 67890
等待信号...

在另一个终端执行 kill -USR1 67890 后，程序输出：

复制代码 
收到信号：10
信号来源 PID：54321（发送 kill 命令的终端进程 PID）
发送者 UID：1000（当前用户 UID）
这是 SIGUSR1 信号

执行 kill -USR2 67890 后，输出类似，仅信号编号和描述不同。

这说明 SA_SIGINFO 模式下，处理函数能获取到信号的详细来源信息，比 sa_handler 更强大。

七、设计理念：sigaction 结构体为何这样设计？

sigaction 结构体的设计体现了 Linux 信号处理的灵活性和安全性，其核心设计理念包括：

  1. 分离处理逻辑与控制选项：将处理函数（sa_handler）、屏蔽集（sa_mask）、行为标志（sa_flags）分离，让用户能独立配置每个部分，满足不同场景需求。比如既可以自定义处理函数，又能控制处理期间的信号屏蔽，还能设置系统调用重启等附加行为。

  2. 最小权限原则：默认情况下，处理信号时会自动屏蔽当前信号（避免嵌套处理），sa_mask 允许用户添加更多屏蔽信号，确保处理过程不受干扰，这是一种"安全默认"设计。

  3. 向后兼容与扩展：保留 sa_restorer 成员以兼容旧系统，同时通过 sa_flags 提供扩展功能（如 SA_SIGINFO、SA_RESTART），既保证了历史代码的可用性，又能支持新需求。

  4. 细粒度控制：相比早期的 signal() 函数（只能设置处理函数），sigaction 提供了更细的控制能力。比如 signal() 无法指定信号屏蔽集，也不能设置系统调用重启，而 sigaction 可以做到。

用 Mermaid 图展示 sigaction 结构体的设计逻辑：

graph TD A["sigaction 结构体"] --> B["处理函数sa_handler / sa_sigaction"] A --> C["屏蔽集sa_mask（处理期间阻塞的信号）"] A --> D["标志位sa_flags（控制处理行为）"] A --> E["历史遗留sa_restorer（废弃）"] B --> F["自定义函数 / SIG_DFL（默认） / SIG_IGN（忽略）"] C --> G["自动包含当前信号 + 用户添加的其他信号"] D --> H["SA_RESTART（系统调用重启）"] D --> I["SA_SIGINFO（详细信息模式）"] D --> J["SA_NOCLDSTOP（控制 SIGCHLD）等其他标志"] style A fill:#e1f5fe style B fill:#e8f5e8 style C fill:#fff3e0 style D fill:#ffebee style E fill:#f5f5f5 style F fill:#c8e6c9 style G fill:#fff3e0 style H fill:#e1f5fe style I fill:#e1f5fe style J fill:#e1f5fe

八、常见问题与避坑指南

  1. 忘记初始化 sa_mask：如果不初始化 sa_mask（比如未调用 sigemptyset()），其值是不确定的，可能会意外屏蔽某些信号。正确做法是先用 sigemptyset() 清空，再用 sigaddset() 添加需要屏蔽的信号。

  2. 混淆 sa_handler 和 sa_sigaction：设置 SA_SIGINFO 标志后，必须使用 sa_sigaction 成员，而不是 sa_handler，否则会导致未定义行为（可能程序崩溃）。

  3. 在信号处理函数中做太多事情：信号处理函数应尽量简短，避免调用复杂函数或进行长时间操作。因为信号处理可能打断程序的正常执行流程，长时间处理会影响程序稳定性。

  4. 认为 SA_RESTART 能解决所有中断问题：SA_RESTART 只对部分系统调用有效（如 read()、write() 等），对 select()、poll() 等则无效，这些函数被信号中断后仍会返回 -1，需要手动处理 EINTR 错误。

  5. 忽略信号的默认行为：如果自定义处理函数中没有显式处理信号（比如只是打印信息），程序会继续执行原来的流程。但有些信号（如 SIGSEGV）的默认行为是终止程序，即使自定义处理函数，处理完成后程序仍可能崩溃（因为内存错误已经发生）。

九、总结：sigaction 结构体的核心价值

sigaction 结构体是 Linux 信号处理的"瑞士军刀"，它通过四个成员（sa_handler/sa_sigaction、sa_mask、sa_flags、sa_restorer）提供了对信号处理的全方位控制，既可以简单地忽略或默认处理信号，也能自定义复杂的处理逻辑，还能控制处理期间的信号屏蔽和系统调用行为。

相比早期的 signal() 函数，sigaction 更灵活、更可靠，是编写健壮程序的首选。其设计理念体现了 Linux 系统"按需配置"的思想，让开发者能根据实际需求定制信号处理规则，在应对各种异常和用户交互时游刃有余。

最后，用一张 Mermaid 图总结 sigaction 结构体的核心要点：
struct sigaction sa_handler / sa_sigaction：信号处理函数（或特殊值） sa_mask：处理期间屏蔽的信号集 sa_flags：控制行为的标志（如 SA_RESTART、SA_SIGINFO） sa_restorer：废弃的恢复函数 sigaction() 系统调用 设置或获取信号的处理规则 比 signal() 更灵活，支持屏蔽集、标志位等细粒度控制 自定义信号响应、处理子进程状态变化、捕获程序错误等

通过本文的讲解，相信你对 sigaction 结构体的设计和使用已经有了深入的理解。在实际开发中，合理运用 sigaction 能让你的程序更好地应对各种信号事件，提升稳定性和可靠性。记住，信号处理的核心是"规则明确、处理简洁"，sigaction 正是为此提供了强大的工具支持。

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