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C 标准库 – <signal.h>（长文解析）

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在 C 语言编程中，C 标准库 – <signal.h> 是一个处理程序与操作系统间信号交互的核心工具。信号机制允许程序在特定事件发生时（如用户按下 Ctrl+C 或程序出现除零错误）动态响应，从而提升程序的健壮性和灵活性。对于编程初学者和中级开发者而言，理解信号的原理与实践技巧，是掌握系统级编程的重要一步。本文将通过循序渐进的讲解，结合代码示例与生活化比喻，帮助读者深入理解这一主题。

信号的基本概念

什么是信号？

信号（Signal）可以理解为操作系统发送给程序的“紧急通知”。例如，当用户按下键盘上的 Ctrl+C 时，终端会向当前运行的程序发送一个名为 SIGINT 的信号，提示程序终止运行。类似地，当程序尝试访问非法内存地址时，操作系统会发送 SIGSEGV 信号。

信号的作用类似于现实生活中的交通信号灯：交通灯通过红绿灯控制车辆通行，信号则通过预定义的事件码控制程序的行为。

C 标准库中预定义的常见信号

以下是一些常用的信号及其含义：

信号名说明
SIGINT用户按下中断键（如 Ctrl+C）
SIGSEGV存储访问冲突（如非法内存访问）
SIGTERM终止信号（友好请求终止程序）
SIGABRT由 abort() 函数触发的异常终止
SIGKILL不可捕获的强制终止信号

如何处理信号？

信号处理函数与 signal() 函数

在 <signal.h> 中，核心函数 signal() 允许程序员定义信号的响应逻辑。其函数原型为：

void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);
  • signum：要处理的信号编号（如 SIGINT）。
  • handler：自定义的信号处理函数，或预定义值 SIG_DFL（默认处理）和 SIG_IGN（忽略信号）。

示例：响应 Ctrl+C

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

void handle_interrupt(int sig) {  
    printf("信号 %d 收到，程序将优雅退出！\n", sig);  
    // 这里可以添加清理资源的代码  
}  

int main() {  
    // 将 SIGINT 信号的处理函数设置为 handle_interrupt  
    signal(SIGINT, handle_interrupt);  
    while(1) {  
        printf("按 Ctrl+C 测试信号处理...\n");  
        sleep(1);  
    }  
    return 0;  
}

运行此程序后，按下 Ctrl+C 将触发 handle_interrupt 函数，而非直接终止程序。

信号处理的高级技巧

为什么 signal() 可能不可靠？

signal() 在早期 Unix 系统中广泛使用，但其行为在不同系统上可能不一致。例如，在某些系统中，signal() 注册的处理函数可能在执行后重置为默认行为。

替代方案：sigaction() 函数
sigaction() 提供更精确的控制，其原型为：

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

其中 struct sigaction 结构体包含以下关键字段：

  • sa_handler：信号处理函数。
  • sa_flags：控制信号行为的标志（如 SA_RESETHAND 或 SA_NODEFER）。

示例：使用 sigaction() 实现更稳定的信号处理

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

void handle_term(int sig) {  
    printf("收到 SIGTERM，程序将退出。\n");  
}  

int main() {  
    struct sigaction sa;  
    sa.sa_handler = handle_term;  
    sigemptyset(&sa.sa_mask);  // 清空信号掩码  
    sa.sa_flags = 0;  

    if (sigaction(SIGTERM, &sa, NULL) == -1) {  
        perror("sigaction");  
        return 1;  
    }  

    while(1) {  
        printf("等待 SIGTERM 信号...\n");  
        sleep(2);  
    }  
    return 0;  
}

信号的阻塞与掩码

什么是信号掩码？

信号掩码（Signal Mask）是进程的属性，用于暂时“阻挡”某些信号的传递。例如，若进程希望在关键代码段中不被信号中断，可以临时将相关信号加入掩码。

示例：使用 sigprocmask() 暂时忽略 SIGINT

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

void handle_interrupt(int sig) {  
    printf("信号 %d 收到，但可能未被及时处理！\n", sig);  
}  

int main() {  
    struct sigaction sa;  
    sa.sa_handler = handle_interrupt;  
    sigemptyset(&sa.sa_mask);  
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);  

    sigset_t block_mask;  
    sigemptyset(&block_mask);  
    sigaddset(&block_mask, SIGINT);  // 将 SIGINT 加入掩码  

    // 暂时阻挡 SIGINT  
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_mask, NULL);  

    printf("现在发送 Ctrl+C，信号将被暂时阻挡...\n");  
    sleep(3);  

    // 恢复信号传递  
    sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &block_mask, NULL);  
    sleep(3);  

    return 0;  
}

在此示例中，前 3 秒发送的 SIGINT 会被忽略，之后恢复响应。

注意事项与常见陷阱

信号处理函数的限制

信号处理函数（如 handle_interrupt）在执行时，进程可能处于任意状态。因此，以下操作在信号处理函数中应避免：

  1. 调用非异步安全函数：如 malloc()、printf() 等可能引发死锁的函数。
  2. 修改全局变量：若未加锁，可能导致数据竞争。

比喻：信号处理函数如同“紧急通话”，需迅速处理并结束，而非进行复杂操作。

信号的递达顺序与丢失

信号可能以队列形式传递，但某些情况下会丢失。例如，若同一信号连续多次触发，系统可能仅递达一次。

实际应用案例

案例 1：守护进程的信号处理

守护进程（Daemon）常需要监听 SIGTERM 信号以优雅退出。以下是一个简化示例：

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

volatile sig_atomic_t shutdown_flag = 0;  

void handle_termination(int sig) {  
    shutdown_flag = 1;  
    printf("收到终止信号，开始清理资源...\n");  
}  

int main() {  
    struct sigaction sa;  
    sa.sa_handler = handle_termination;  
    sigemptyset(&sa.sa_mask);  
    sigaction(SIGTERM, &sa, NULL);  

    while (!shutdown_flag) {  
        printf("守护进程正在运行...\n");  
        sleep(2);  
    }  
    printf("资源清理完成，程序退出。\n");  
    return 0;  
}

案例 2：使用 sigwait() 处理多线程信号

在多线程程序中，sigwait() 可以让线程“等待”特定信号，而非在全局范围内注册处理函数：

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

void *signal_thread(void *arg) {  
    sigset_t waitset;  
    sigemptyset(&waitset);  
    sigaddset(&waitset, SIGINT);  

    int sig;  
    while (sigwait(&waitset, &sig) == 0) {  
        printf("线程捕获到信号 %d\n", sig);  
    }  
    return NULL;  
}  

int main() {  
    pthread_t tid;  
    pthread_create(&tid, NULL, signal_thread, NULL);  

    // 主线程保持运行  
    while(1);  
    return 0;  
}

结论

C 标准库 – <signal.h> 是构建健壮程序的重要工具，它允许开发者通过信号机制实现程序的动态响应与资源管理。从基础的 signal() 函数到进阶的 sigaction() 和信号掩码，掌握信号处理的核心概念能显著提升代码的灵活性与可靠性。

无论是处理用户中断、异常终止，还是构建多线程服务程序，信号机制都能提供优雅的解决方案。希望本文通过实例与比喻，帮助读者建立对 <signal.h> 的清晰认知，并在实际开发中灵活运用这一强大工具。

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