信号处理

1. 课程概述

本节课程聚焦于 Unix/Linux 系统中信号（signal）的处置（disposition）机制，重点讲解 POSIX 标准推荐的信号处理接口 sigaction。课程内容分为三部分：

• sigaction 函数及其结构体 struct sigaction 的详细解析
• 实例一：使用 sigaction 自定义 SIGINT（Ctrl+C）处理逻辑
• 实例二：演示在信号处理器执行期间通过 sa_mask 屏蔽其他信号

后续还将简要介绍已被弃用但仍在广泛使用的旧接口 signal。

2. sigaction 函数原型与参数详解

sigaction 是 POSIX 标准定义的、用于设置和获取信号处置方式的核心系统调用（或库封装）。其函数原型如下：

#include <signal.h>

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

参数说明：

1. signum

   • 要操作的信号编号（如 SIGINT, SIGUSR1, SIGALRM 等）。
   • 不能用于 SIGKILL 和 SIGSTOP（这两个信号无法被捕获或忽略）。

2. act

   • 指向 struct sigaction 结构体的指针，用于设置新的信号处置方式。
   • 若为 NULL，则不修改当前信号行为。

3. oldact

   • 指向 struct sigaction 结构体的指针，用于保存旧的信号处置方式。
   • 若不关心旧设置，可传入 NULL。

返回值：成功返回 0；失败返回 -1，并设置 errno。

3. struct sigaction 结构体详解

该结构体定义了信号的处置行为，主要包含以下成员（通常有 5 个，但最后一个为内部使用）：

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);      // 信号处理函数指针（传统方式）
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 扩展处理函数（POSIX RT）
    sigset_t sa_mask;                 // 在处理信号时要屏蔽的其他信号集合
    int      sa_flags;                // 控制信号行为的标志位
    void     (*sa_restorer)(void);    // 内部使用，应用程序不应设置（Linux 特有）
};

关键成员说明：

3.1 信号处理函数（Handler）

• sa_handler：最常用的方式，函数签名为 void handler(int sig)。
• sa_sigaction：用于高级信号处理（需设置 SA_SIGINFO 标志），可获取更多信号信息（如发送者 PID）。
• 二者互斥：只能设置其中一个。若同时设置，行为未定义（通常因共用体 union 实现而覆盖）。
• 特殊值：
  • SIG_DFL：恢复为默认行为（如终止、暂停等）。
  • SIG_IGN：忽略信号（进程收到后无反应）。

默认行为示例：

• SIGINT → 终止进程
• SIGTSTP → 暂停进程（Ctrl+Z）
• SIGCHLD → 忽略（某些系统）

3.2 sa_mask：信号屏蔽集

• 类型：sigset_t（信号集）。
• 作用：当信号处理函数正在执行时，自动将 sa_mask 中指定的信号加入进程的信号掩码（signal mask），防止这些信号在处理期间被递送。
• 初始化必须使用 POSIX 标准函数（见下文），不能直接赋值。

3.3 sa_flags：行为控制标志

• 常用值：0（表示不启用任何扩展功能）。
• 其他标志（如 SA_RESTART, SA_SIGINFO）需查阅手册（man 2 sigaction）。
• 若无需特殊行为，设为 0 即可。

3.4 sa_restorer（内部字段）

• Linux 内核使用，应用程序不应访问或设置。
• 手册明确指出该字段“供 glibc 内部使用”。

4. 信号掩码（sigset_t）的正确初始化

为符合 POSIX 可移植性标准，必须使用以下函数初始化 sigset_t：

sigemptyset(&act.sa_mask);  // 清空信号集（不屏蔽任何信号）
// 或
sigaddset(&act.sa_mask, SIGUSR2); // 添加特定信号到掩码

错误做法（虽在 Linux 可能工作，但不可移植）：

act.sa_mask = 0; // 不符合 POSIX

5. 实例一：自定义 SIGINT 处理

目标

捕获 SIGINT（Ctrl+C），打印信号信息后退出，而非默认终止。

代码逻辑

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

void handle_sigint(int sig) {
    printf("Caught signal: %s\n", strsignal(sig)); // 使用 strsignal 获取信号名
    exit(0);
}

int main() {
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = handle_sigint;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 不屏蔽其他信号
    act.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction failed");
        exit(1);
    }

    // 主循环：持续休眠，等待信号
    while (1) {
        sleep(1); // 注意：sleep 可能被信号中断
    }
    return 0;
}

关键点

• strsignal(sig)：将信号编号转换为可读字符串（如 "Interrupt"）。
• sleep() 是系统调用封装，可能被信号中断（返回剩余秒数），因此需循环调用以确保长时间等待。

6. 实例二：信号处理期间屏蔽其他信号

目标

在处理 SIGINT 时，屏蔽 SIGUSR2，验证其被阻塞直至处理函数结束。

代码逻辑

void handle_sigint(int sig) {
    printf("Handling SIGINT... (PID: %d)\n", getpid());
    sleep(20); // 模拟长时间处理
    printf("Finished handling SIGINT.\n");
}

int main() {
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = handle_sigint;
  
    // 初始化并添加 SIGUSR2 到掩码
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaddset(&act.sa_mask, SIGUSR2);
  
    act.sa_flags = 0;

    sigaction(SIGINT, &act, NULL);

    printf("PID: %d\n", getpid()); // 方便使用 kill 发送信号
    pause(); // 等待任意信号
}

实验步骤

1. 运行程序，记录 PID。
2. 按 Ctrl+C 触发 SIGINT，进入处理函数（开始 20 秒休眠）。
3. 在另一终端执行 kill -USR2 <PID>。
4. 观察：SIGUSR2 不会立即触发，而是在 handle_sigint 返回后才被处理（若其处置为默认，则进程终止）。

补充说明

• 信号继承：子进程继承父进程的信号处置方式。例如，若 shell（父进程）将 SIGUSR1/2 设为终止，则子进程也会如此。
• 信号队列：标准信号不排队。多次发送同一信号，可能只处理一次。

7. 对比：已弃用的 signal 函数

尽管 sigaction 是推荐接口，但旧代码中常见 signal：

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

特点

• 简单：仅两个参数（信号 + 处理函数）。
• 不安全/不可移植：
  • 不同 Unix 系统对其语义实现不一致（如是否自动重启被中断的系统调用）。
  • 无法指定信号掩码或标志。
• 返回值：返回之前的信号处置函数指针；出错时返回 SIG_ERR。

示例

void timer_handler(int sig) {
    printf("Timer triggered!\n");
    alarm(2); // 重新设置 2 秒定时器
}

int main() {
    signal(SIGALRM, timer_handler);
    alarm(2); // 2 秒后发送 SIGALRM
    while(1) pause();
}

建议：始终优先使用 sigaction，仅在维护旧代码或简单脚本时考虑 signal。

8. 总结

• 核心接口：sigaction 是现代 Unix 信号处理的标准方式。
• 关键结构：struct sigaction 中重点关注 sa_handler 和 sa_mask。
• 可移植性：使用 sigemptyset/sigaddset 初始化信号集。
• 调试工具：利用 strsignal() 打印信号名称，getpid() 获取进程 ID 便于测试。
• 学习建议：熟练查阅 man 2 sigaction、man 7 signal 获取权威文档。