嵌入式Linux：進程如何處理信號

在Linux系統(tǒng)中，當進程接收到信號后，可以通過設置信號處理方式來決定如何響應信號。

通常，信號的處理方式可以是以下三種之一：

• 忽略信號：進程對該信號不做任何處理，直接忽略。

• 捕獲信號：為該信號設置一個處理函數(shù)，當信號到達時執(zhí)行該函數(shù)。

• 執(zhí)行系統(tǒng)默認操作：采用系統(tǒng)預定義的信號處理方式。

本篇文章主要講解進程如何處理信號。Linux 系統(tǒng)提供了兩個主要的函數(shù) signal() 和 sigaction() 用于設置信號的處理方式。

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signal()函數(shù)

signal()函數(shù)的原型如下：

#include <signal.h> typedef void (*sig_t)(int); sig_t signal(int signum, sig_t handler);

函數(shù)參數(shù)和含義：

• signum：指定需要進行設置的信號。你可以使用信號的名稱（如SIGINT）或者其對應的數(shù)字編號。不過，建議使用信號名稱，因為這樣可讀性更強。

• handler：這是一個sig_t類型的函數(shù)指針，用于指向信號的處理函數(shù)。

• handler可以設置為以下幾種：

• 用戶自定義函數(shù)：這是一個處理函數(shù)，在接收到信號時會自動調用這個函數(shù)。該函數(shù)的參數(shù)是一個int類型的值，表示觸發(fā)該函數(shù)的信號編號。通過這個參數(shù)，你可以在一個函數(shù)中處理多個信號。

• SIG_IGN：表示忽略該信號，進程在接收到該信號時不會進行任何處理。

• SIG_DFL：表示采用系統(tǒng)的默認處理方式，系統(tǒng)會對信號進行其預定義的操作。

返回值：signal()函數(shù)的返回值是一個sig_t類型的函數(shù)指針。成功調用時，返回指向之前信號處理函數(shù)的指針，這意味著你可以保存這個指針，以便在將來恢復原來的信號處理方式。如果調用失敗，則返回SIG_ERR，并設置errno以指示錯誤原因。

以下是一個簡單的示例代碼，展示如何使用signal()函數(shù)來捕獲SIGINT信號，并執(zhí)行自定義的信號處理函數(shù)：

#include <stdio.h>#include <signal.h>#include <unistd.h> // 自定義信號處理函數(shù)void handle_signal(int signal) {    printf("Caught signal %dn", signal);} int main() {    // 將 SIGINT 信號處理方式設置為自定義的 handle_signal 函數(shù)    signal(SIGINT, handle_signal);     // 無限循環(huán)，等待信號    while(1) {        printf("Running...n");        sleep(1);    }     return 0;}

在上述代碼中，當用戶按下CTRL+C（觸發(fā)SIGINT信號）時，自定義的handle_signal()函數(shù)會被調用，并輸出捕獲的信號編號。程序會繼續(xù)運行，而不會終止。如果要忽略SIGINT信號，可以將signal(SIGINT, handle_signal);改為signal(SIGINT, SIG_IGN);。

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sigaction() 函數(shù)

sigaction() 函數(shù)是 Linux 系統(tǒng)中用于設置信號處理方式的一個更強大且靈活的系統(tǒng)調用。與 signal() 函數(shù)相比，sigaction() 提供了更詳細的控制和更高的移植性，因此更推薦在實際開發(fā)中使用它。

sigaction() 函數(shù)原型如下：

#include <signal.h> int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

函數(shù)參數(shù)：

• signum：指定要設置處理方式的信號編號。可以為除 SIGKILL 和 SIGSTOP 以外的任何信號。

• act：指向 struct sigaction 結構體的指針，用于指定信號的新的處理方式。如果 act 為 NULL，則不改變信號的處理方式。

• oldact：指向 struct sigaction 結構體的指針，用于存儲信號先前的處理方式。如果不需要獲取原來的處理方式，可將其設置為 NULL。

返回值：成功返回 0；失敗返回 -1，并設置 errno。

struct sigaction 結構體用于描述信號的處理方式，定義如下：

struct sigaction {    void (*sa_handler)(int);    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);    sigset_t sa_mask;    int sa_flags;    void (*sa_restorer)(void);};

成員變量如下：

• sa_handler：信號處理函數(shù)指針，與 signal() 函數(shù)中的 handler 參數(shù)相同。可設置為自定義函數(shù)、SIG_IGN（忽略信號）或 SIG_DFL（系統(tǒng)默認處理）。

• sa_sigaction：另一個信號處理函數(shù)指針，用于處理帶有更多信息的信號。與 sa_handler 互斥，通常使用 sa_handler。選擇使用 sa_sigaction 需設置 SA_SIGINFO 標志。

• sa_mask：定義在執(zhí)行信號處理函數(shù)期間要阻塞的信號集合，以避免信號之間的競爭條件。

• sa_flags：標志位，用于控制信號的處理行為。常用標志包括：

• SA_NOCLDSTOP：阻止當子進程停止或恢復時發(fā)送 SIGCHLD 信號。

• SA_NOCLDWAIT：子進程終止時不變?yōu)榻┦M程。

• SA_NODEFER：不阻塞自身的信號。

• SA_RESETHAND：執(zhí)行完信號處理后將信號恢復為默認處理方式。

• SA_RESTART：被信號中斷的系統(tǒng)調用在信號處理完成后重新發(fā)起。

• SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 代替 sa_handler。

• sa_restorer：已過時，通常不使用。

siginfo_t 結構體用于在 sa_sigaction 處理信號時傳遞更多的上下文信息，結構體定義如下：

typedef struct siginfo {    int si_signo;       /* Signal number */    int si_errno;       /* An errno value */    int si_code;        /* Signal code */    pid_t si_pid;       /* Sending process ID */    uid_t si_uid;       /* Real user ID of sending process */    void *si_addr;      /* Memory location which caused fault */    int si_status;      /* Exit value or signal */    int si_band;        /* Band event */    // ... 其他成員} siginfo_t;

下面是一個使用 sigaction() 捕獲 SIGINT 信號的示例代碼：

#include <stdio.h>#include <signal.h>#include <unistd.h> void handle_signal(int signal, siginfo_t *info, void *ucontext) {    printf("Caught signal %dn", signal);    printf("Signal sent by process %dn", info->si_pid);} int main() {    struct sigaction act;    act.sa_sigaction = handle_signal;    act.sa_flags = SA_SIGINFO;  // 使用 sa_sigaction 而不是 sa_handler    sigemptyset(&act.sa_mask);        sigaction(SIGINT, &act, NULL);     // 無限循環(huán)，等待信號    while(1) {        printf("Running...n");        sleep(1);    }     return 0;}

在這段代碼中，sigaction() 用來設置 SIGINT 信號的處理方式。當用戶按下 CTRL+C 發(fā)送 SIGINT 信號時，程序會調用 handle_signal() 函數(shù)，該函數(shù)可以通過 siginfo_t 結構體獲取信號的更多信息，比如發(fā)送信號的進程 ID。

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注意事項

當一個應用程序剛啟動時，或在程序中未調用 signal() 或 sigaction() 來顯式設置信號處理方式時，進程對所有信號的處理方式通常為系統(tǒng)默認操作。這意味著大多數(shù)信號在未被特殊處理的情況下，都會執(zhí)行默認的處理動作。

當一個進程使用 fork() 系統(tǒng)調用創(chuàng)建一個子進程時，子進程會繼承父進程的信號處理方式。由于子進程是通過復制父進程的內存映像而創(chuàng)建的，所以信號捕獲函數(shù)的地址在子進程中同樣有效。這意味著子進程將會繼承父進程的信號處理函數(shù)和其他相關的信號處理狀態(tài)。

這種繼承機制確保了子進程在初始狀態(tài)下能夠正確處理信號，避免因為未定義的信號處理而導致不可預測的行為。如果需要，子進程可以在運行過程中修改其信號處理方式，從而實現(xiàn)特定的行為需求。

在設計信號處理函數(shù)時，通常建議保持其簡單性。這與設計中斷處理函數(shù)的原則相似：處理函數(shù)應盡可能簡短和高效，避免執(zhí)行大量耗費 CPU 時間的操作。

主要原因如下：

• 減少信號競爭條件：信號競爭條件（Race Condition）指的是在多線程或多進程環(huán)境中，不同信號可能在不合適的時間內打斷正在處理的代碼，導致不可預測的結果。如果信號處理函數(shù)復雜且耗時較長，進程在執(zhí)行處理函數(shù)時，可能會接收到相同或其他信號，增加競爭條件發(fā)生的風險。

• 保證系統(tǒng)響應性：信號處理函數(shù)應快速完成，以確保系統(tǒng)能夠及時響應其他事件或信號。如果處理函數(shù)占用了大量的 CPU 時間，系統(tǒng)響應速度可能會受到影響，尤其是在實時性要求較高的系統(tǒng)中。

• 減少對系統(tǒng)狀態(tài)的影響：復雜的信號處理函數(shù)可能會改變進程的全局狀態(tài)（如修改全局變量），這可能會導致進程在信號處理完成后進入不一致的狀態(tài)。因此，簡單的處理函數(shù)可以減少這些副作用。

最佳實踐：

• 在信號處理函數(shù)中，只執(zhí)行必要的操作，如設置一個標志或記錄一個簡單的狀態(tài)。

• 如果需要執(zhí)行復雜的邏輯，可以在信號處理函數(shù)中設置一個標志，然后在主程序的主循環(huán)中檢查該標志，并執(zhí)行相應的復雜邏輯。

  這種方式可以有效分離信號處理與復雜邏輯，降低風險。

通過保持信號處理函數(shù)的簡單性，你可以有效提高程序的穩(wěn)定性和可靠性，減少潛在的問題和復雜的調試過程。