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？
消息作为进程间通信的一种机制用来通知进程中出现特定状态或异常情况。在编程语言C中消息可以通过操作系统的中断机制或其他程序向目标程序发送每条消息都分配了一个唯一的标识号码称为其标识号码（Signal Number）。例如常见的消息包括 SIGINT 用于中断当前运行中的程序 SIGTERM 用于终止当前运行中的程序以及 SIGSEGV 用于处理段错误等信息
信号可以用于以下几种情况：
进程间通信 是一种系统机制，在这种机制下，一个进程能够通过发送信号与另一个进程进行交互和协作。具体而言，在接收方一旦接收到相关信号后即可触发相应的响应流程并完成所需的操作任务。
在发生异常时的操作系统会通过特定机制向进程发出相关提示；从而提醒相关的进程出现潜在的问题。如常见的除零错误和段错误等常见错误类型。
用户交互：用户可以通过键盘输入指令或通过终端设备发布信号以与运行中的程序进行交互；例如通过按下Ctrl+C键并发送SIGINT信号来中止程序的运行。
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 <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
int raise(int sig);
代码解读该函数被用于将信号发送给指定进程。其中参数\texttt{sig}决定了所使用的信号类型。\texttt{pid}参数则表示目标进程的标识符：当其值为正值时，则对应于具有该\texttt{ID}的具体进程中；若设置为零则代表本用户的整个进程中所有相关联的进程中；若设置为-1则对应于当前用户的全部进程中运行的任务；当\texttt{pid}小于-1时则对应于具有该组别标识符的所有相关进程中运行的任务。
raise函数用于向当前进程发送信号sig。
2.2 接收信号
可以在C程序中捕获信号，并通过选择地使用signal函数或sigaction函数来注册相应的信号处理逻辑。
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 <signal.h>
void (*signal(int sig, void (*handler)(int)))(int);
代码解读sig参数决定了要处理的信号类型, 包括SIGINT``SIGTERM等.handler参数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 <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
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;
}
代码解读在上文的示例中，当程序响应Ctrl+C中断信号（SIGINT）时，将被触发调用sigint_handler函数来处理该中断信号。
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 <signal.h>
int sigaction(int sig, const struct sigaction *restrict act, struct sigaction *restrict oldact);
代码解读sig参数确定要处理的信号, 如 SIGINT 和 SIGTERM 等.act参数是一个指向struct sigaction结构的指针, 被设置为记录当前的操作行为.oldact参数是一个指向 `struct sigaction$ 结构的指针, 用来记录之前的处理行为.
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）
};
代码解读以下是一个使用sigaction函数注册信号处理函数的示例：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
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;
}
代码解读sigaction函数支持更加灵活地控制信号处理，并行配置附加标记和实现信号屏蔽
2.3 信号默认操作
每个信号均有一个预设的操作，默认情况下执行相应的处理。如终止或中断进程所示的例子中，请您说明您希望实现的具体功能。
以下是一些常见的信号默认操作：
- 通过按住Ctrl+C执行, 该信号会立即中断当前运行的任务进程。
- 按Ctrl+Alt+D执行后会立即终止当前任务进程。
- 通过按住Ctrl+\执行, 该信号会立即终止当前任务并生成相应的核心转储文件。
- 通过按 Ctrl + Alt + Q 执行后会立即终止当前任务并生成相应的核心转储文件。
- 通过使用kill命令强制终止指定任务后会立即停止该进程, 并且无法被其他程序捕获或忽略.
第三部分：信号处理函数
信号处理函数由用户自行定制, 主要功能是负责实现上述描述的各种算法模型。其原型通常包括:
void handler_function(int signo);
代码解读signo参数指定了触发信号处理函数的信号编号。
该函数可执行多种操作，并非仅限于记录日志、释放资源以及继续执行等基本功能。然而，在设计该函数时必须充分考虑其运行机制：由于该函数在信号触发时进行异步操作，因此需要谨慎编写代码以确保其不会导致不可预测的行为。具体而言，在编写过程中应避免使用不可重入函数或全局变量等可能引发不确定行为的操作。
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 <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
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;
}
代码解读在示例分析中，sigint_handler函数响应SIGINT信号的出现，并仅输出一条信息。
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
通过将信号处理函数配置为SIG_IGN来实现信号抑制。例如，请按照以下步骤操作以抑制SIGINT信号：
#include <signal.h>
int main() {
signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略SIGINT信号
while (1) {
// 程序不会响应Ctrl+C
}
return 0;
}
代码解读4.2 捕获信号
注册信号处理函数后能够检测或捕捉输入的信号，并在检测到这些信号时触发相应的响应。比如前面所述。
4.3 恢复默认操作
建议将信号处理函数配置为 SIG\_DFL 以便恢复其默认操作。\n\n例如说, 要恢复 SIGINT 信号的默认操作可以通过以下步骤实现.
#include <signal.h>
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;
}
代码解读4.4 阻塞信号
该函数能够挂起或取消挂起发送到指定过程。 hangup 的情况意味着事件会被暂时阻止接收方处理它们. 当 hangup 操作被取消后则会允许接收队列中的后续事件.
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
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;
}
代码解读在上述示例中，在被阻塞的 SIGINT 信号只有当解除阻塞后才会启动相应的处理逻辑。
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
基于异步操作的机制进行信号处理可能会导致不可避免地会引发信号不可靠性的问题。
例如，在两次信号之间处理函数未能及时完成时可能导致下一个信号被忽略。
建议在开发基于全局变量的处理逻辑时尽量避免采用不可重入的设计方案。
5.2 信号重入
为了确保信号处理过程的可重入性，在特定时间段内允许同一时间段内的多个实例能够依次接收相同的输入而不引发问题
5.3 信号与系统调用
在系统调用期间，一般会将信号进行屏蔽（阻塞），以避免在关键操作期间接收到来自硬件的中断信息而导致系统的不一致状态。其中一些特定的系统调用具备自动解除此屏蔽功能的能力；但也有一些例外情况不具备这一特性。因此，在处理系统调用时需留意其相关的信号处理状态。
5.4 信号与多线程
在多核处理架构下, 每个进程独立维护着自身的信号隔离设置. 通常情况下, 当新建一个进程时，默认会复制其父进程的信号隔离配置. 因此, 在设计多核系统时需要谨慎处理进程间的信号隔离设置, 从而避免不同进程之间由于共享资源引发的竞争问题.
第六部分：总结
在C语言中，通过机制实现对异步事件和异常情况的处理被视为一项关键功能。该文章详细阐述了这一技术的基本概念，并深入探讨了其应用方法及注意事项等核心内容。掌握这一技术有助于程序员更有效地应对不同场景中的信息传递问题，并提升软件的整体稳定性和抗干扰能力。开发过程中必须高度重视每一步骤，在设计阶段就要充分考虑可能出现的各种异常情况，在实现环节则需要严格遵循规范流程以确保系统的正常运行。