Linux C语言信号处理函数选择

信号处理基础概述

在Linux环境下，C语言的信号处理是一项至关重要的机制，它允许程序对各种异步事件做出响应。信号是一种软件中断，用于通知进程发生了某种特定事件。这些事件可以是外部事件，如用户按下Ctrl+C组合键（产生SIGINT信号），也可以是内部事件，如进程执行了非法指令（产生SIGSEGV信号）。

信号的概念与种类

Linux系统定义了众多不同类型的信号，每个信号都有一个唯一的编号和名称。常见的信号包括：

SIGINT（2）：由终端产生，通常是用户按下Ctrl+C组合键。用于请求终止当前进程。
SIGTERM（15）：这是一个通用的终止信号。系统管理员可以通过kill命令向进程发送该信号，要求进程正常终止。
SIGKILL（9）：强制终止进程的信号。该信号不能被捕获、阻塞或忽略，进程接收到此信号后会立即终止。
SIGSEGV（11）：当进程试图访问无效的内存地址时产生，通常表示程序中存在内存访问错误，如野指针或数组越界。
SIGALRM（14）：由alarm函数设置的定时器到期时产生。可用于实现定时任务或超时机制。

信号处理的基本流程

当一个信号产生时，内核会根据进程的信号处理设置来决定如何处理该信号。一般有以下几种处理方式：

默认处理：每种信号都有一个默认的处理动作，如SIGTERM信号的默认动作是终止进程，SIGINT信号的默认动作也是终止进程，而SIGCHLD信号的默认动作是忽略。
忽略信号：进程可以通过设置信号处理函数为SIG_IGN来忽略某个信号。例如，对于SIGCHLD信号，如果父进程不关心子进程的状态变化，可以选择忽略该信号，以避免产生僵尸进程。
捕获信号：进程可以定义自己的信号处理函数来处理特定信号。当信号产生时，内核会暂停当前进程的正常执行，转而执行信号处理函数。处理函数执行完毕后，进程可以继续从暂停的地方恢复执行。

传统信号处理函数 `signal`

在早期的UNIX系统中，signal函数是用于设置信号处理函数的主要接口。它的原型如下：

#include <signal.h>
void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

这个原型看起来比较复杂，但实际上它接受两个参数：

signum：要设置处理函数的信号编号。
handler：指向信号处理函数的指针，该函数接受一个整数参数（即信号编号），并且返回值为void。

`signal`函数示例

以下是一个简单的使用signal函数捕获SIGINT信号的示例：

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

void sigint_handler(int signum) {
    printf("Caught SIGINT signal. Exiting...\n");
    // 这里可以进行一些清理工作，比如关闭文件描述符等
    _exit(0);
}

int main() {
    if (signal(SIGINT, sigint_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        return 1;
    }
    printf("Press Ctrl+C to quit.\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们通过signal函数将SIGINT信号的处理函数设置为sigint_handler。当用户按下Ctrl+C时，sigint_handler函数会被调用，输出提示信息并终止进程。

`signal`函数的局限性

不可靠性：在早期实现中，当信号处理函数执行完毕后，信号处理方式可能会被重置为默认处理方式，而不是保持用户自定义的处理方式。这就导致了在某些情况下，程序可能无法连续捕获到同一个信号。
异步信号安全问题：信号处理函数可能会在程序执行的任何时刻被调用，这就要求信号处理函数中调用的函数必须是异步信号安全的。然而，signal函数本身并不能保证在信号处理函数执行期间，进程的其他部分不会被信号打断，从而引发竞态条件等问题。

现代信号处理函数 `sigaction`

为了克服signal函数的局限性，现代UNIX系统提供了sigaction函数。它的原型如下：

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

sigaction函数接受三个参数：

signum：要设置处理函数的信号编号。
act：指向struct sigaction结构体的指针，该结构体定义了新的信号处理方式。
oldact：指向struct sigaction结构体的指针，用于保存旧的信号处理方式。如果不需要保存旧的处理方式，可以将其设置为NULL。

`struct sigaction`结构体

struct sigaction结构体定义如下：

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

sa_handler：与signal函数中的handler类似，是指向信号处理函数的指针。
sa_sigaction：另一种形式的信号处理函数指针，用于在设置了SA_SIGINFO标志时使用。这种形式的处理函数可以获取更多关于信号的信息。
sa_mask：一个信号集，用于指定在信号处理函数执行期间需要阻塞的信号。
sa_flags：标志位，用于指定信号处理的一些特殊行为。例如，SA_RESTART标志可以使被信号中断的系统调用自动重新启动。
sa_restorer：该字段已过时，不再使用。

`sigaction`函数示例

下面是一个使用sigaction函数捕获SIGINT信号的示例：

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

void sigint_handler(int signum) {
    printf("Caught SIGINT signal. Exiting...\n");
    // 这里可以进行一些清理工作，比如关闭文件描述符等
    _exit(0);
}

int main() {
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = sigint_handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }
    printf("Press Ctrl+C to quit.\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们首先初始化struct sigaction结构体act，设置sa_handler为我们定义的信号处理函数sigint_handler，清空sa_mask，并将sa_flags设置为0。然后通过sigaction函数将SIGINT信号的处理方式设置为act所定义的方式。

`sigaction`函数的优势

可靠性：sigaction函数不会在信号处理函数执行完毕后将信号处理方式重置为默认值，除非显式设置了相关标志。这使得信号处理更加可靠。
信号集处理：通过sa_mask字段，我们可以在信号处理函数执行期间阻塞其他信号，避免信号之间的干扰，有效解决了部分异步信号安全问题。
丰富的标志选项：sa_flags字段提供了多种标志选项，如SA_RESTART、SA_SIGINFO等，使得信号处理可以根据不同的需求进行更灵活的设置。

实时信号处理

除了常规信号，Linux系统还支持实时信号。实时信号的编号范围从SIGRTMIN到SIGRTMAX，不同系统上这两个值可能不同，但通常SIGRTMIN为34，SIGRTMAX为64。

实时信号的特点

排队机制：与常规信号不同，实时信号支持排队。如果多次发送同一个实时信号，内核会将这些信号排队，而不是只处理一次。
优先级：实时信号可以有不同的优先级，高优先级的实时信号会优先得到处理。
更丰富的信息：实时信号处理函数可以通过siginfo_t结构体获取更多关于信号的详细信息，如发送信号的进程ID等。

使用`sigaction`处理实时信号

以下是一个简单的示例，展示如何使用sigaction处理实时信号：

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

void realtime_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("Caught real - time signal %d from process %d\n", signum, info->si_pid);
    _exit(0);
}

int main() {
    struct sigaction act;
    act.sa_sigaction = realtime_handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;

    if (sigaction(SIGRTMIN, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }
    printf("Sending real - time signal...\n");
    if (kill(getpid(), SIGRTMIN) == -1) {
        perror("kill");
        return 1;
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们通过sigaction函数设置了SIGRTMIN信号的处理函数realtime_handler。sa_flags设置为SA_SIGINFO，以便使用sa_sigaction形式的处理函数获取更多信号信息。然后，我们使用kill函数向自身进程发送SIGRTMIN信号，当信号被捕获时，realtime_handler函数会输出信号编号和发送信号的进程ID。

实时信号与常规信号的选择

在实际应用中，需要根据具体需求选择使用实时信号还是常规信号。如果只需要对简单的异步事件做出响应，如处理用户的终止请求，常规信号通常已经足够。但如果应用场景对信号的排队、优先级以及详细信息获取有要求，如在一些实时控制系统中，则应选择实时信号。

信号处理函数中的异步信号安全

在编写信号处理函数时，必须注意异步信号安全问题。由于信号处理函数可能在程序执行的任何时刻被调用，因此在信号处理函数中调用的函数必须是异步信号安全的。

异步信号安全函数

异步信号安全函数是指可以在信号处理函数中安全调用的函数。这些函数通常满足以下条件：

可重入性：函数不会使用静态或全局的非线程安全数据结构，不会修改自身的静态数据，并且函数的执行不受多次调用的影响。
不依赖于未定义行为：函数不会调用可能导致未定义行为的函数，如malloc、free等。

常见的异步信号安全函数包括write、_exit、sigemptyset、sigaddset等。

异步信号安全示例

以下是一个在信号处理函数中使用异步信号安全函数的示例：

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

void sigint_handler(int signum) {
    const char msg[] = "Caught SIGINT\n";
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);
    if (fd != -1) {
        write(fd, msg, strlen(msg));
        close(fd);
    }
    _exit(0);
}

int main() {
    if (signal(SIGINT, sigint_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        return 1;
    }
    printf("Press Ctrl+C to log and quit.\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，sigint_handler函数在捕获到SIGINT信号时，打开一个文件并写入一条日志信息，然后使用_exit函数终止进程。这里使用的open、write、close和_exit函数都是异步信号安全的。

避免异步信号安全问题

为了避免异步信号安全问题，在信号处理函数中应尽量减少复杂操作，避免调用非异步信号安全的函数。如果确实需要在信号处理函数中执行一些复杂任务，可以考虑通过设置一个标志位，在主程序的合适位置处理这些任务，而不是直接在信号处理函数中执行。

信号阻塞与解除阻塞

在某些情况下，我们可能需要暂时阻塞某些信号，以避免在特定代码段内信号的干扰。Linux系统提供了函数来实现信号的阻塞与解除阻塞。

信号集操作函数

sigemptyset：初始化一个空的信号集。其原型为int sigemptyset(sigset_t *set)。
sigaddset：将一个信号添加到信号集中。其原型为int sigaddset(sigset_t *set, int signum)。
sigdelset：从信号集中删除一个信号。其原型为int sigdelset(sigset_t *set, int signum)。
sigismember：检查一个信号是否在信号集中。其原型为int sigismember(const sigset_t *set, int signum)。

信号阻塞与解除阻塞函数

sigprocmask：用于设置和查询进程的信号掩码。其原型为int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)。
- how：指定操作方式，有以下几种取值：
  - SIG_BLOCK：将set中的信号添加到进程的信号掩码中，即阻塞这些信号。
  - SIG_UNBLOCK：将set中的信号从进程的信号掩码中移除，即解除阻塞这些信号。
  - SIG_SETMASK：将进程的信号掩码设置为set。
- set：指向要操作的信号集。
- oldset：指向一个信号集，用于保存旧的信号掩码。如果不需要保存旧的掩码，可以设置为NULL。

信号阻塞与解除阻塞示例

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

void sigint_handler(int signum) {
    printf("Caught SIGINT signal.\n");
}

int main() {
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);

    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask");
        return 1;
    }
    printf("SIGINT is blocked. Sleeping for 5 seconds...\n");
    sleep(5);

    if (sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL) == -1) {
        perror("sigprocmask");
        return 1;
    }
    printf("SIGINT is unblocked. Press Ctrl+C to test.\n");
    if (signal(SIGINT, sigint_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        return 1;
    }
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们首先创建了一个信号集set，并将SIGINT信号添加到其中。然后使用sigprocmask函数阻塞SIGINT信号，程序睡眠5秒。5秒后，我们解除对SIGINT信号的阻塞，并设置SIGINT信号的处理函数。这样，在阻塞期间，即使按下Ctrl+C，信号也不会被处理，而解除阻塞后，信号处理函数会被调用。

信号处理函数选择的实际考量

在实际项目中，选择合适的信号处理函数需要综合考虑多个因素。

兼容性

如果项目需要在较老的UNIX系统上运行，signal函数可能是一个必要的选择，因为一些老系统可能对sigaction函数的支持不完善。然而，对于新开发的项目，应该优先考虑使用sigaction函数，以获得更好的可靠性和功能。

功能需求

简单信号处理：如果只是简单地需要捕获某个信号并执行一些基本操作，如终止进程或进行简单的日志记录，使用signal函数通常可以满足需求，其简单的接口使得代码编写较为便捷。
复杂信号处理：当需要处理更复杂的信号情况，如实时信号处理、获取详细的信号信息、在信号处理函数执行期间阻塞其他信号等，sigaction函数提供了更强大的功能和更灵活的设置选项。

异步信号安全要求

无论选择signal还是sigaction，都必须确保信号处理函数中的操作是异步信号安全的。如果信号处理函数中需要执行复杂的操作，如动态内存分配或调用标准I/O库函数，可能需要通过其他机制（如设置标志位在主程序中处理）来避免异步信号安全问题。

性能影响

在性能敏感的应用中，需要考虑信号处理函数对系统性能的影响。实时信号由于其排队和优先级机制，可能会带来一定的性能开销。而信号处理函数中的复杂操作也可能影响程序的整体性能。因此，在编写信号处理函数时，应尽量保持其简洁性，避免在信号处理函数中执行长时间的计算或I/O操作。

在Linux C语言编程中，深入理解并合理选择信号处理函数对于编写健壮、可靠的程序至关重要。通过对不同信号处理函数的特点、适用场景以及异步信号安全等方面的掌握，开发者可以更好地应对各种异步事件，提升程序的稳定性和性能。