信号的基本概念与作用机制
在Linux C编程中，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，信号源于Unix系统设计，最初用于处理异常情况（如非法内存访问），后逐渐扩展为进程间通信和事件通知的重要手段，Linux内核通过信号表维护每个进程可接收的信号，当信号产生时，内核会将其设置为进程的“待处理”状态，并在进程从内核态返回用户态时检查并处理信号。
信号的本质是一个整数常量，Linux定义了多种信号（如SIGINT、SIGKILL等），每个信号都有唯一的编号和预定义的含义，信号的处理方式分为三种：默认处理（如终止进程、忽略信号或暂停进程）、捕获处理（通过注册信号处理函数自定义逻辑）以及忽略处理（仅对部分信号有效，如SIGKILL不可忽略），信号的产生方式多样，包括按键触发（如Ctrl+C发送SIGINT）、硬件异常（如除零错误触发SIGFPE）、系统调用（如kill函数发送指定信号）以及软件事件（如定时器到期触发SIGALRM）。
信号的分类与特性
Linux信号可按功能分为五类：中断信号（如SIGINT，由终端中断触发）、错误信号（如SIGSEGV，段错误触发）、终止信号（如SIGKILL，强制终止进程）、挂起信号（如SIGSTOP，暂停进程执行）以及用户自定义信号（如SIGUSR1/2，用于进程间通信），SIGKILL和SIGSTOP不可被捕获或忽略，确保系统对进程的终极控制权。
信号具有不可靠性和非阻塞性两个关键特性，不可靠性指信号可能丢失（如多次发送相同信号，进程仅处理一次）或合并（如连续发送SIGINT，进程可能只收到一次）；非阻塞性则指信号处理函数执行期间，若同一信号再次到达，其默认行为会被临时屏蔽，直到处理函数返回，信号处理函数需遵循严格规则：不得调用非异步安全函数（如printf、malloc），避免竞态条件；尽量使用sigaction函数替代signal函数，以避免信号处理函数被重置的问题。
信号处理的核心函数
Linux C提供了丰富的API用于信号处理，其中最核心的是signal、sigaction、sigprocmask和pause。
signal函数
signal是最简单的信号注册函数，原型为void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int)，通过传入信号编号和处理函数地址（可为SIG_IGN忽略或SIG_DFL默认处理），设置信号响应逻辑，捕获SIGINT并打印退出信息：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handle_sigint(int sig) {
printf("Caught SIGINT! Exiting...\n");
exit(0);
}
int main() {
signal(SIGINT, handle_sigint);
while (1);
return 0;
}
但signal存在缺陷：在信号处理函数执行期间，信号处理方式会重置为默认值，可能导致竞态条件。
sigaction函数
sigaction是更健壮的信号处理接口，通过struct sigaction结构体精细控制信号行为，其优势在于支持信号掩码（阻塞特定信号）和标志位（如SA_RESTART自动重启被中断的系统调用），使用sigaction捕获SIGINT并阻塞SIGTERM：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
void handle_sigint(int sig) {
printf("Caught SIGINT, ignoring SIGTERM temporarily\n");
}
int main() {
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = handle_sigint;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sigaddset(&sa.sa_mask, SIGTERM); // 阻塞SIGTERM
sa.sa_flags = 0;
sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
while (1);
return 0;
}
信号掩码与等待
sigprocmask用于修改进程的信号掩码，实现信号的阻塞与解除阻塞，临时阻塞SIGINT并在关键操作后解除：
sigset_t new_mask, old_mask; sigemptyset(&new_mask); sigaddset(&new_mask, SIGINT); sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask, &old_mask); // 阻塞SIGINT // 关键操作 sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL); // 恢复掩码
pause函数则使进程挂起，直到接收到未阻塞的信号，结合sigprocmask可实现同步机制，如条件等待。
信号的高级应用场景
异步事件处理
信号适用于处理异步事件，如网络编程中通过SIGIO实现 socket 数据就绪通知，通过fcntl设置文件描述符的异步模式，当数据可读/可写时，内核向进程发送SIGIO信号，注册的处理函数可执行I/O操作。
进程间通信（IPC）
用户自定义信号（SIGUSR1/SIGUSR2）可用于进程间简单通信，父进程通过kill(getpid(), SIGUSR1)向子进程发送信号，子进程的信号处理函数据此执行特定逻辑（如更新共享数据）。
优雅退出机制
在服务程序中，通过捕获SIGTERM（终止请求）和SIGINT（中断请求），执行资源清理（如关闭文件、释放内存）后再退出。
void cleanup(int sig) {
printf("Cleaning up resources...\n");
// 执行清理操作
exit(0);
}
int main() {
signal(SIGTERM, cleanup);
signal(SIGINT, cleanup);
while (1);
return 0;
}
信号处理的注意事项
- 异步安全性：信号处理函数应避免使用非异步安全函数（如标准I/O、动态内存分配），改用
sig_atomic_t类型变量实现原子操作。 - 信号竞态：多进程/线程环境中，需通过信号掩码和同步机制（如互斥锁）避免信号处理与主逻辑的竞态条件。
- 信号丢失：高频信号可能丢失，可通过
sigqueue带信息发送信号（需配合SA_SIGINFO标志）或使用实时信号（SIGRTMIN~SIGRTMAX）解决。 - 僵尸进程：父进程需捕获SIGCHLD（子状态改变信号），并在处理函数中调用
wait或waitpid回收子进程资源，避免僵尸进程。
信号作为Linux C中的核心异步通信机制，为进程提供了高效的事件通知和异常处理能力，从基本的signal函数到高级的sigaction与信号掩码操作，开发者需深入理解其作用机制、分类特性及潜在风险，才能在实际编程中灵活应用信号，构建健壮、高效的并发程序，无论是处理用户中断、系统异常，还是实现进程间同步，信号都发挥着不可替代的作用,是Linux系统编程中不可或缺的重要工具。
