Linux 信号捕捉：机制、实践与深度解析
在 Linux 系统中，信号（Signal）是一种异步通信机制，用于通知进程某个事件已经发生，从早期的 kill 命令到现代进程间的复杂交互，信号始终扮演着重要角色，信号的本质是异步的，若不妥善处理，可能导致进程意外终止或行为异常，信号捕捉（Signal Handling）成为 Linux 编程中的核心技能之一，本文将系统介绍信号的基本概念、捕捉机制、实现方法及注意事项，帮助读者全面掌握这一技术。
信号的基本概念与分类
信号是 Linux 内核向进程发送的事件通知，每个信号都有一个唯一的整数值和对应的宏定义（如 SIGINT、SIGKILL），根据其行为，信号可分为三大类：
- 不可忽略信号：
SIGKILL（9）和SIGSTOP（17/19）是两个不可被忽略或捕捉的信号，前者强制终止进程，后者暂停进程执行，主要用于系统级强制控制。 - 默认行为信号：大多数信号具有默认处理动作，如
SIGINT（2）的默认行为是终止进程（用户按下Ctrl+C时触发），SIGSEGV（11）的默认行为是终止并生成核心转储文件（段错误时触发）。 - 可自定义处理信号：如
SIGUSR1（10）和SIGUSR2（12）等用户自定义信号，以及SIGALRM（14）等定时器信号，允许进程通过捕捉函数自定义处理逻辑。
信号的来源多样,包括：
- 键盘输入：如
Ctrl+C发送SIGINT，Ctrl+Z发送SIGTSTP。 - 系统调用：如
kill()函数显式发送信号，alarm()设置定时器后发送SIGALRM。 - 内核事件：如非法内存访问触发
SIGSEGV，浮点异常触发SIGFPE。
信号捕捉的核心机制
信号捕捉的核心是让进程在接收到特定信号时,执行用户自定义的处理函数，而非默认动作，Linux 通过 signal()、sigaction() 等函数实现信号捕捉，其底层依赖内核的信号处理机制：
- 信号发送与传递：内核通过进程描述符中的“信号位图”（pending bitmap）记录待处理的信号，当进程从内核态返回用户态时，检查位图并传递信号。
- 信号处理流程：
- 进程接收到信号后,内核会暂时屏蔽该信号（防止重复触发），并保存当前上下文（寄存器、程序计数器等）。
- 若信号已被捕捉,内核跳转到用户注册的信号处理函数执行。
- 处理完成后,通过
sigreturn()系统调用恢复上下文，继续执行原程序。
- 信号的不可靠性：早期
signal()函数存在竞态条件（如处理函数执行期间信号可能重复触发）且无法区分信号来源，已被更安全的sigaction()取代。
信号捕捉的实践方法
基础接口：signal() 函数
signal() 是最简单的信号捕捉接口，原型如下：
typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
signum：要捕捉的信号编号（如SIGINT）。handler：处理函数地址，或SIG_IGN（忽略信号）、SIG_DFL（恢复默认行为）。
示例：捕捉 SIGINT 并打印提示：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handle_sigint(int sig) {
printf("Caught SIGINT! Do not terminate me.\n");
}
int main() {
signal(SIGINT, handle_sigint);
while (1);
return 0;
}
运行后,按下 Ctrl+C 会触发 handle_sigint，进程不会终止。
推荐接口：sigaction() 函数
sigaction() 提供更精细的控制，支持信号屏蔽、参数传递等高级功能，原型如下：
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
struct sigaction结构体关键成员：sa_handler：处理函数指针（同signal()）。sa_mask：信号集，用于在处理函数执行期间屏蔽的信号（防止竞态条件）。sa_flags：控制标志，如SA_RESTART（自动重启被信号中断的系统调用）、SA_RESETHAND（执行后恢复默认行为）。
示例：捕捉 SIGUSR1 并屏蔽 SIGINT：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void handle_sigusr1(int sig) {
printf("Caught SIGUSR1. SIGINT is blocked during handling.\n");
}
int main() {
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = handle_sigusr1;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sigaddset(&sa.sa_mask, SIGINT); // 屏蔽 SIGINT
sa.sa_flags = 0;
sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
while (1) {
pause(); // 等待信号
}
return 0;
}
在 handle_sigusr1 执行期间，SIGINT 会被暂时屏蔽，避免嵌套处理。
信号集与信号操作
信号集（sigset_t）是管理信号的数据结构，配合以下函数使用：
sigemptyset()：初始化空信号集。sigfillset()：初始化全信号集。sigaddset()/sigdelset()：添加/删除信号。sigprocmask()：修改进程的信号屏蔽字（控制哪些信号可被接收）。
示例：临时屏蔽 SIGINT：
sigset_t set; sigemptyset(&set); sigaddset(&set, SIGINT); sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL); // 屏蔽 SIGINT // 执行关键代码... sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL); // 解除屏蔽
信号捕捉的注意事项
- 异步安全性：信号处理函数必须是异步安全的（async-signal-safe），即可被异步调用且不会与其他函数冲突。
printf()不是异步安全的，应改用write()或_exit()。 - 可重入性：避免在处理函数中访问全局变量或堆内存，除非使用原子操作或锁机制，防止数据竞争。
- 信号屏蔽与竞态条件：通过
sa_mask屏蔽关键信号，确保处理函数执行期间不会被其他信号打断。 - 系统调用中断：信号可能导致系统调用返回
-1并设置errno为EINTR，需检查并处理（如使用SA_RESTART自动重启）。 - 僵尸进程与信号处理：父进程需通过
wait()或waitpid()回收子进程，避免僵尸进程；子进程终止时向父进程发送SIGCHLD，可捕捉该信号实现异步回收。
高级应用场景
- 事件驱动编程：结合
select()或epoll，通过信号通知 I/O 事件，实现高效的事件循环。 - 定时器与超时处理：使用
SIGALRM或SIGPROF实现定时任务，或为阻塞操作设置超时。 - 进程控制：通过
SIGSTOP和SIGCONT实现进程的暂停与恢复，常用于调试或资源调度。 - 优雅终止：捕捉
SIGTERM（15）和SIGINT，执行资源清理（如关闭文件、释放内存）后再终止进程，避免数据损坏。
信号捕捉是 Linux 进程间通信和异常处理的关键技术，从基础的 signal() 到功能强大的 sigaction()，理解信号的传递机制、处理流程及安全注意事项，是编写健壮 Linux 程序的基础，在实际开发中，需结合场景选择合适的接口，注重异步安全与竞态条件处理，确保信号机制成为程序的“安全网”而非“隐患源”，通过合理运用信号捕捉，开发者可以构建更高效、可靠的系统级应用。
