C语言中的信号与信号处理

原创于 2025-02-10 16:51:26 发布 · 1.2k 阅读

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C语言中的信号与信号处理

在操作系统中，信号（Signal）是一种用来通知进程事件发生的机制，它类似于一种异步中断，可以在程序运行过程中及时地通知进程发生了某些特定的事件。在C语言中，信号机制提供了一种与操作系统和其他进程进行通信的方式，能够帮助程序处理各种外部事件，如用户中断、定时器事件、非法内存访问等。

本文将详细介绍C语言中的信号与信号处理，包括信号的基本概念、常见信号的种类、如何在C语言中捕捉和处理信号，如何使用信号处理函数以及信号的应用场景。

什么是信号

信号是操作系统用于通知进程发生某种事件的机制。在C语言中，信号用于进程间的通信，允许操作系统在进程执行的过程中插入中断，向进程发送通知或请求。信号通常是异步的，也就是说，信号的发送不依赖于接收进程的当前执行状态。

当一个进程接收到信号时，操作系统会通知该进程，并且进程可以根据需求进行相应的处理。信号的处理方式可以是默认行为，也可以是自定义的处理函数。

例如，当用户按下Ctrl+C时，操作系统会向当前运行的进程发送SIGINT信号，通知进程中断执行，通常会终止进程的运行。

常见的信号类型

C语言中定义了多种不同类型的信号，每种信号对应操作系统中的某种特定事件或状态。以下是一些常见的信号类型：

SIGINT：中断信号，通常由用户通过按下Ctrl+C发送，用于终止进程的执行。
SIGTERM：终止信号，通常用于请求进程正常退出，进程可以选择处理该信号，进行清理工作后退出。
SIGKILL：强制终止信号，不能被捕获、阻塞或忽略，用于强制杀死进程。
SIGSEGV：段错误信号，表示进程访问了不允许访问的内存区域，通常会导致程序崩溃。
SIGALRM：定时器信号，由alarm()函数生成，通常用于定时中断进程。
SIGUSR1 / SIGUSR2：用户自定义信号，程序可以根据需要自定义处理逻辑。
SIGCHLD：子进程退出信号，父进程可以通过该信号获知子进程的退出状态。
SIGPIPE：管道破裂信号，当进程向一个已经关闭的管道写入数据时，会收到该信号。

信号的产生与发送

信号的产生通常由操作系统或进程本身触发。在操作系统中，信号可以由如下几种方式触发：

外部事件：如用户按下Ctrl+C、发送kill命令等。
定时器：如alarm()函数设置的定时器到期。
硬件异常：如访问无效内存时触发SIGSEGV。
进程间通信：通过kill()函数发送信号。

1. 通过`kill()`发送信号

kill()函数用于向指定进程发送信号，语法如下：

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

pid：指定接收信号的进程ID。如果pid为0，则向与当前进程同属一个进程组的所有进程发送信号。
sig：要发送的信号的编号。

示例：发送信号

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

int main() {
    pid_t pid = getpid();  // 获取当前进程ID
    printf("Current process ID: %d\n", pid);
    
    // 发送SIGTERM信号
    if (kill(pid, SIGTERM) == -1) {
        perror("kill failed");
        return -1;
    }

    return 0;
}

在上面的代码中，kill(pid, SIGTERM)会向当前进程发送SIGTERM信号，通常会要求程序正常退出。

信号的捕获与处理

信号的捕获与处理是多进程编程中的重要部分。C语言提供了signal()和sigaction()两个函数来捕捉并处理信号。

1. `signal()`函数

signal()函数用于指定进程接收到某个信号时的处理方式。它有两个参数：

sig：信号编号。
handler：信号处理函数的地址。可以是一个函数名，也可以是SIG_IGN（忽略信号）或SIG_DFL（执行默认行为）。

示例：使用`signal()`处理信号

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

void handle_sigint(int sig) {
    printf("Caught signal %d (SIGINT)\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handle_sigint);  // 捕捉SIGINT信号

    while (1) {
        printf("Program running... Press Ctrl+C to send SIGINT signal.\n");
        sleep(1);  // 程序持续运行，等待捕捉信号
    }

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用signal(SIGINT, handle_sigint)来捕捉SIGINT信号（通常由Ctrl+C触发），并定义一个处理函数handle_sigint来处理该信号。

2. `sigaction()`函数

sigaction()是一个更为强大的信号处理函数，它允许我们设置更多的信号处理选项，如信号屏蔽、信号恢复等。sigaction()的结构体sigaction提供了更细致的信号处理方式。

示例：使用`sigaction()`处理信号

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

void handle_sigint(int sig) {
    printf("Caught signal %d (SIGINT) using sigaction\n", sig);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = handle_sigint;  // 设置信号处理函数
    sa.sa_flags = 0;                // 默认行为
    sigemptyset(&sa.sa_mask);       // 不屏蔽任何信号

    // 设置处理SIGINT信号
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    while (1) {
        printf("Program running... Press Ctrl+C to send SIGINT signal.\n");
        sleep(1);  // 程序持续运行，等待捕捉信号
    }

    return 0;
}

`sigaction()`与`signal()`的区别

sigaction()提供了更多的控制选项，可以用于更复杂的信号处理，如信号屏蔽、信号恢复等。
signal()更为简单，适用于大多数基本的信号处理需求。

信号处理函数的实现

信号处理函数的主要作用是定义进程接收到某个信号时的响应行为。信号处理函数通常需要注意以下几点：

异步性：信号处理函数是异步调用的，因此不应该在信号处理函数中执行可能导致阻塞或不安全的操作，如malloc()、free()、printf()等。
信号安全函数：信号处理函数只能调用信号安全的函数。信号安全函数是那些在信号处理过程中可以安全调用的函数，如write()、signal()等。

示例：信号处理函数

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

void sig_handler(int sig) {
    write(1, "Caught signal!\n", 15);  // 使用write()代替printf()
}

int main() {
    signal(SIGINT, sig_handler);  // 捕捉SIGINT信号

    while (1) {
        sleep(1);  // 程序持续运行，等待捕捉信号
    }

    return 0;
}

在上面的例子中，我们在信号处理函数中使用了write()而不是printf()，因为write()是信号安全的，而printf()在信号处理函数中是不安全的。

信号阻塞与信号屏蔽

信号阻塞是指在特定情况下，进程暂时忽略某些信号，直到信号被解除阻塞或被处理。进程可以通过sigprocmask()函数来阻塞或解除阻塞信号。

1. 阻塞信号

通过sigprocmask()可以阻塞某些信号，防止它们在进程执行期间打断当前的操作。

示例：阻塞信号

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

void sig_handler(int sig) {
    write(1, "Caught SIGINT signal!\n", 22);
}

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

    // 阻塞SIGINT信号
    sigset_t new_set;
    sigemptyset(&new_set);
    sigaddset(&new_set, SIGINT);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_set, NULL);  // 阻塞SIGINT信号

    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    sleep(5);  // 等待5秒

    // 解除阻塞SIGINT信号
    sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &new_set, NULL);

    while (1) {
        sleep(1);  // 程序持续运行，等待捕捉信号
    }

    return 0;
}