Linux信号机制及其在CPP中的实现

在 UNIX/Linux 操作系统中，信号（Signal）是一种进程间的通信机制，用于通知进程特定的事件发生。信号是异步的，允许进程在无需轮询的情况下处理来自系统或其他进程的事件。今儿个，咱们来唠一唠信号的概念、处理方法、以及在 C++ 中的实现。

一、什么是信号？

信号是一种用于通知进程发生特定事件的软中断机制。信号可以由操作系统、硬件设备、用户（例如通过 Ctrl+C）或其他进程发出。信号允许进程异步地响应事件，例如异常情况、外部中断等。

信号的主要特性包括：

• 异步性：信号可以在任意时刻被发送，接收进程并不需要主动查询。
• 软中断：信号不会强行中断进程，而是通知它处理特定的事件。
• 系统资源管理：信号机制帮助操作系统管理进程生命周期、资源、权限和状态。

二、信号的处理方式

当一个进程接收到信号时，操作系统为其提供了三种处理方式：

2.1 默认处理

大多数信号都有默认的处理方式。例如，收到 SIGTERM 信号时，默认行为是终止进程；收到 SIGSEGV 信号时，进程会被终止并生成核心转储文件。程序可以选择不修改这些默认行为。

2.2 自定义处理

进程可以通过定义信号处理函数（signal handler）来覆盖信号的默认处理方式。当进程接收到指定信号时，操作系统将调用用户定义的处理函数来执行自定义逻辑。

2.3 忽略信号

某些信号允许进程选择忽略它们。例如，程序可以忽略 SIGPIPE 信号，避免在向关闭的套接字写数据时导致进程终止。

三、使用 signal() 设置信号处理函数

在 UNIX/Linux 系统中，可以使用 signal() 函数来设置信号的处理方式。该函数允许开发者为特定信号定义自定义处理函数，或者选择恢复默认处理或忽略信号。

3.1 signal() 函数的原型

1

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

• signum：信号的编号，例如 SIGINT（中断信号）。
• handler：信号处理函数，可以是自定义函数，SIG_IGN（忽略信号）或 SIG_DFL（恢复默认行为）。

四、信号处理函数的编写

信号处理函数是一个符合特定原型的函数，它在信号到达时被操作系统调用。该函数通常只接收一个参数，即信号的编号。

信号处理函数的原型：

1

void signalHandler(int signum);

示例代码：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23

#include <iostream>
#include <csignal>
#include <unistd.h>

// 自定义信号处理函数
void signalHandler(int signum) {
    std::cout << "Received signal: " << signum << std::endl;
    // 处理信号的逻辑
}

int main() {
    // 设置 SIGINT 信号的处理函数
    signal(SIGINT, signalHandler);

    std::cout << "Press Ctrl+C to send SIGINT signal..." << std::endl;

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

    return 0;
}

在上面的代码中，当用户按下 Ctrl+C 时，SIGINT 信号被发送给程序，操作系统调用 signalHandler 函数来处理这个信号，输出收到信号的编号。

五、常见信号及其默认行为

以下是一些常见的信号及其默认行为：

六、信号处理中的注意事项

6.1 信号处理函数的简洁性

由于信号处理函数是异步调用的，在信号处理函数中，必须保证代码尽可能简短，避免复杂操作。例如，标准库中的很多函数（如 malloc、printf 等）在信号处理函数中是不安全的，因为它们可能会在多个信号到达时产生未定义行为。

建议使用：

• write() 代替 printf()。
• 使用全局标志位记录信号状态，并在主循环中处理复杂逻辑。

6.2 线程安全与信号重入问题

信号处理函数是异步的，可能在执行过程中被新的信号打断（信号的重入问题）。为了避免这种情况，信号处理函数应避免使用非线程安全的函数，并考虑使用信号屏蔽机制来阻止其他信号的干扰。

屏蔽信号： 可以使用 sigprocmask() 来屏蔽在信号处理期间不希望处理的信号，确保信号处理函数的执行是安全的。

6.3 特殊信号的处理

某些信号如 SIGKILL 和 SIGSTOP 是无法被捕捉或忽略的。SIGKILL 是一种强制终止信号，通常用于无法通过其他信号终止的进程；SIGSTOP 则用于暂停进程，无法被进程自身阻止或处理。

七、高级信号处理：使用 sigaction()

尽管 signal() 函数足以应对大多数简单的信号处理场景，但在实际开发中，使用 sigaction() 提供更强大的控制功能。sigaction() 允许开发者指定更复杂的信号处理行为，如信号阻塞、自动恢复等。

sigaction() 函数的原型：

1

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

• signum：信号编号。
• act：新的信号处理行为。
• oldact：保存旧的信号处理行为。

示例：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

#include <iostream>
#include <csignal>
#include <unistd.h>

void signalHandler(int signum) {
    std::cout << "Interrupt signal (" << signum << ") received." << std::endl;
}

int main() {
    struct sigaction action;
    action.sa_handler = signalHandler;  // 设置自定义处理函数
    sigemptyset(&action.sa_mask);       // 清空阻塞的信号集
    action.sa_flags = 0;

    // 使用 sigaction 设置 SIGINT 的处理行为
    sigaction(SIGINT, &action, NULL);

    while (true) {
        std::cout << "Waiting for signal..." << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

在这个例子中，sigaction() 允许开发者对信号处理的控制更加细致，例如阻塞某些信号并恢复处理前的状态。

八、总结

信号机制是 UNIX/Linux 操作系统中重要的进程间通信手段，通过它可以异步地处理系统级事件和进程间通信。C++ 提供了 signal() 和 sigaction() 等函数，帮助开发者方便地管理信号处理。理解信号的工作原理、捕捉和屏蔽信号的正确方式，有助于编写更健壮、更高效的系统程序。