Linux信号捕捉的特性详解

Linux信号捕捉的特性详解

• 信号的基本概念
• 信号捕捉的基本机制
• • [1. signal()函数](#1. signal()函数)
  • [2. sigaction()函数](#2. sigaction()函数)
• 信号捕捉的关键特性
• • [1. 信号处理函数的可重入性](#1. 信号处理函数的可重入性)
  • [2. 信号屏蔽与阻塞](#2. 信号屏蔽与阻塞)
  • [3. 信号的可靠性与不可靠信号](#3. 信号的可靠性与不可靠信号)
  • [4. 信号处理期间的信号屏蔽](#4. 信号处理期间的信号屏蔽)
• 高级信号处理技术
• • [1. 使用sigwait同步处理信号](#1. 使用sigwait同步处理信号)
  • [2. 信号栈](#2. 信号栈)
  • [3. 实时信号](#3. 实时信号)
• 信号捕捉的最佳实践
• 示例：完整的信号处理程序
• 总结

信号的基本概念

在Linux系统中，信号是进程间通信的一种基本方式，用于通知进程发生了某种事件。信号可以由内核、其他进程或进程自身发送。Linux系统支持多种信号，每种信号都有一个唯一的编号和名称（如SIGINT、SIGTERM等）。

信号的主要特点包括：

• 异步性：信号可以在任何时候发送给进程
• 优先级：某些信号比其他信号有更高的优先级
• 处理方式：进程可以自定义信号处理函数或使用默认行为

信号捕捉的基本机制

Linux提供了多种方式来捕捉和处理信号：

1. signal()函数

#include <signal.h>

void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

signal()是最基础的信号处理函数，它允许进程为特定信号注册一个处理函数。当信号发生时，内核会中断进程的正常执行流程，转而执行注册的处理函数。

示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void sig_handler(int signo) {
    if (signo == SIGINT)
        printf("Received SIGINT\n");
}

int main(void) {
    if (signal(SIGINT, sig_handler) == SIG_ERR)
        printf("\ncan't catch SIGINT\n");
    
    while(1) 
        sleep(1);
    
    return 0;
}

2. sigaction()函数

#include <signal.h>

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

sigaction()是更强大和灵活的信号处理接口，它提供了比signal()更多的控制选项：

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

主要特性包括：

• 可以指定信号处理期间要阻塞的其他信号
• 可以获取关于信号的更多信息（通过siginfo_t）
• 更可靠的行为，特别是在信号处理函数执行期间

信号捕捉的关键特性

1. 信号处理函数的可重入性

信号处理函数必须是可重入的（reentrant），因为信号可能在进程执行的任何时刻到达。这意味着：

• 不能使用非可重入函数（如malloc, printf等）
• 需要小心处理全局变量和静态变量
• 最好只设置标志变量，在主循环中检查并处理

2. 信号屏蔽与阻塞

进程可以暂时阻塞某些信号的传递：

sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGINT);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 阻塞SIGINT
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL); // 解除阻塞

3. 信号的可靠性与不可靠信号

Linux将信号分为两类：

• 不可靠信号（1-31）：传统的Unix信号，可能会丢失
• 可靠信号（34-64）：Linux扩展的实时信号，不会丢失

4. 信号处理期间的信号屏蔽

当一个信号处理函数正在执行时，默认情况下，相同的信号会被自动阻塞，直到处理函数返回。这可以通过sa_mask和sa_flags进行调整。

高级信号处理技术

1. 使用sigwait同步处理信号

#include <signal.h>

int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);

sigwait允许线程同步地等待信号，而不是异步地处理它们。这在多线程程序中特别有用。

2. 信号栈

对于需要大量栈空间的信号处理函数，可以使用独立的信号栈：

#include <signal.h>

int sigaltstack(const stack_t *ss, stack_t *oss);

3. 实时信号

Linux支持实时信号（SIGRTMIN到SIGRTMAX），它们具有以下特性：

• 可以排队，不会丢失
• 带有附加信息
• 有优先级顺序

信号捕捉的最佳实践

1. 保持处理函数简单：最好只设置标志变量，在主循环中处理实际逻辑
2. 使用volatile变量：用于信号处理函数和主程序之间共享的标志
3. 避免使用不可重入函数 ：如printf, malloc等
4. 考虑多线程环境：在多线程程序中，信号是发送给整个进程的，但可以由特定线程处理
5. 正确处理信号中断的系统调用 ：使用EINTR错误码检查

示例：完整的信号处理程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

volatile sig_atomic_t flag = 0;

void handler(int sig) {
    flag = 1;
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    
    sa.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    
    if (sigaction(SIGINT, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    while (1) {
        if (flag) {
            printf("Signal received!\n");
            flag = 0;
        }
        
        // 模拟可能被中断的系统调用
        int ret = sleep(10);
        if (ret != 0 && errno == EINTR) {
            printf("sleep interrupted by signal\n");
        }
    }
    
    return 0;
}

总结

Linux的信号捕捉机制提供了强大的进程间通信和异常处理能力，但也带来了复杂性。理解信号的特性和正确处理信号是编写健壮Linux应用程序的关键。通过合理使用signal()、sigaction()等API，并遵循信号处理的最佳实践，可以构建出既响应迅速又稳定可靠的系统。