如何在Linux中有效捕捉和处理信号？

Linux信号捕捉是一种机制，用于在进程收到特定信号时执行预定义的操作，通过信号捕捉，程序可以优雅地处理各种中断和异常情况，避免意外终止或数据丢失，本文将详细探讨Linux信号捕捉的原理、方法及其实际应用，帮助读者更好地理解和使用这一重要功能。

一、信号捕捉的基本概念

在Linux操作系统中，信号是用于进程间通信的一种方式，每个信号都有一个唯一的编号和名称，如SIGINT（通常由Ctrl+C触发）、SIGTERM（终止信号）等，信号可以由用户操作、系统调用或其他进程发送，当进程接收到信号时，默认行为通常是终止进程，但可以通过信号捕捉来改变这种行为。

二、信号捕捉函数

1. signal函数

signal函数是最早的信号处理函数之一，用于注册一个信号处理函数，由于其在不同Unix版本中的行为不一致，推荐使用sigaction函数代替。

头文件：#include <signal.h>

函数原型：void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

参数：

signum：要捕捉的信号编号。

handler：捕捉函数，它是一个回调函数，当产生信号signum的时候，执行信号处理函数handler。

返回值：返回先前的信号处理函数指针，如果出错则返回SIG_ERR。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int sig) {
    printf("Received signal %d
", sig);
}
int main() {
    signal(SIGINT, handler);
    while (1);
    return 0;
}

2. sigaction函数

sigaction函数是现代Linux系统中推荐使用的信号处理函数，它提供了更多的控制选项和灵活性。

头文件：#include <signal.h>

函数原型：int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

参数：

signum：要捕捉的信号编号。

act：指向一个struct sigaction结构体，用于设置新的信号处理方式。

oldact：可选参数，指向一个struct sigaction结构体，用于保存之前的信号处理方式。

返回值：成功返回0，失败返回-1。

struct sigaction结构体定义如下：

struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);         // 信号处理函数指针
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 扩展的信号处理函数指针
    sigset_t sa_mask;                 // 临时阻塞的信号集
    int sa_flags;                    // 标志位
    void (*sa_restorer)(void);        // 已废弃的字段
};

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void handler(int sig) {
    printf("Received signal %d
", sig);
}
int main() {
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &act, NULL);
    while (1);
    return 0;
}

三、信号捕捉的特性和处理

1. 信号屏蔽字

进程在运行过程中会有一个信号屏蔽字，决定哪些信号被自动屏蔽，当注册了某个信号的捕捉函数后，该信号在捕捉函数执行期间会被自动屏蔽，以避免嵌套的信号处理。

2. 可重入函数与不可重入函数

在信号处理函数中，只能调用可重入函数，可重入函数是指那些不依赖于全局变量且不会阻塞的函数，如strlen()、memcpy()等，不可重入函数包括printf()、scanf()等，因为它们可能会访问全局变量或导致进程阻塞。

3. 信号排队

标准的非实时信号（如SIGINT）不支持排队，如果多次发送同一信号，只会记录一次，而实时信号（如SIGRTMIN到SIGRTMAX）支持排队，可以记录多次发送的信号。

四、内核如何实现信号捕捉

当进程注册了一个信号处理函数后，内核会在适当的时候（如从内核态返回用户态时）检查是否有未处理的信号，如果有，内核会调用相应的信号处理函数，并在处理完毕后恢复进程的执行上下文，信号处理函数与主函数使用不同的堆栈空间，它们是独立的控制流程。

五、实际应用示例

以下是一个简单的C语言示例，演示如何使用sigaction函数捕获和处理SIGINT信号（即Ctrl+C）：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void sigint_handler(int sig) {
    printf("Caught signal %d
", sig);
    // 执行清理操作
    printf("Exiting gracefully...
");
    _exit(0); // 使用_exit确保立即退出
}
int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigint_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0; // 默认属性
    if (sigaction(SIGINT, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }
    printf("Press Ctrl+C to trigger SIGINT...
");
    while (1) {
        pause(); // 等待信号到来
    }
    return 0;
}

六、常见问题解答（FAQs）

Q1: 为什么在信号处理函数中不能调用printf()？

A1: 在信号处理函数中不能调用printf()是因为printf()不是可重入函数，它可能会访问全局变量或导致进程阻塞，从而引发不可预测的行为，建议使用write()系统调用代替，因为它是可重入的。

Q2: 如何在信号处理函数中安全地执行清理操作？

A2: 在信号处理函数中执行清理操作时，应尽量保持简单，避免调用复杂的库函数或进行耗时操作，可以使用setjmp()和longjmp()进行非局部跳转，以便在信号发生时快速跳转到清理代码，确保所有使用的函数都是可重入的，以避免潜在的竞争条件。

Linux信号捕捉是进程管理的重要组成部分，通过合理使用signal和sigaction函数，可以实现对信号的精细控制和处理，了解信号捕捉的原理和应用，有助于编写更加健壮和可靠的Linux程序。