嵌入式Linux：進(jìn)程如何處理信號(hào)

在Linux系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)程接收到信號(hào)后，可以通過(guò)設(shè)置信號(hào)處理方式來(lái)決定如何響應(yīng)信號(hào)。

通常，信號(hào)的處理方式可以是以下三種之一：

• 忽略信號(hào)：進(jìn)程對(duì)該信號(hào)不做任何處理，直接忽略。

• 捕獲信號(hào)：為該信號(hào)設(shè)置一個(gè)處理函數(shù)，當(dāng)信號(hào)到達(dá)時(shí)執(zhí)行該函數(shù)。

• 執(zhí)行系統(tǒng)默認(rèn)操作：采用系統(tǒng)預(yù)定義的信號(hào)處理方式。

本篇文章主要講解進(jìn)程如何處理信號(hào)。Linux 系統(tǒng)提供了兩個(gè)主要的函數(shù) signal() 和 sigaction() 用于設(shè)置信號(hào)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(jìn)行設(shè)置的信號(hào)。你可以使用信號(hào)的名稱（如SIGINT）或者其對(duì)應(yīng)的數(shù)字編號(hào)。不過(guò)，建議使用信號(hào)名稱，因?yàn)檫@樣可讀性更強(qiáng)。

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

• handler可以設(shè)置為以下幾種：

• 用戶自定義函數(shù)：這是一個(gè)處理函數(shù)，在接收到信號(hào)時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用這個(gè)函數(shù)。該函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)int類型的值，表示觸發(fā)該函數(shù)的信號(hào)編號(hào)。通過(guò)這個(gè)參數(shù)，你可以在一個(gè)函數(shù)中處理多個(gè)信號(hào)。

• SIG_IGN：表示忽略該信號(hào)，進(jìn)程在接收到該信號(hào)時(shí)不會(huì)進(jìn)行任何處理。

• SIG_DFL：表示采用系統(tǒng)的默認(rèn)處理方式，系統(tǒng)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行其預(yù)定義的操作。

返回值：signal()函數(shù)的返回值是一個(gè)sig_t類型的函數(shù)指針。成功調(diào)用時(shí)，返回指向之前信號(hào)處理函數(shù)的指針，這意味著你可以保存這個(gè)指針，以便在將來(lái)恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)處理方式。如果調(diào)用失敗，則返回SIG_ERR，并設(shè)置errno以指示錯(cuò)誤原因。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼，展示如何使用signal()函數(shù)來(lái)捕獲SIGINT信號(hào)，并執(zhí)行自定義的信號(hào)處理函數(shù)：

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

在上述代碼中，當(dāng)用戶按下CTRL+C（觸發(fā)SIGINT信號(hào)）時(shí)，自定義的handle_signal()函數(shù)會(huì)被調(diào)用，并輸出捕獲的信號(hào)編號(hào)。程序會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，而不會(huì)終止。如果要忽略SIGINT信號(hào)，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(shè)置信號(hào)處理方式的一個(gè)更強(qiáng)大且靈活的系統(tǒng)調(diào)用。與 signal() 函數(shù)相比，sigaction() 提供了更詳細(xì)的控制和更高的移植性，因此更推薦在實(shí)際開(kāi)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(shè)置處理方式的信號(hào)編號(hào)。可以為除 SIGKILL 和 SIGSTOP 以外的任何信號(hào)。

• act：指向 struct sigaction 結(jié)構(gòu)體的指針，用于指定信號(hào)的新的處理方式。如果 act 為 NULL，則不改變信號(hào)的處理方式。

• oldact：指向 struct sigaction 結(jié)構(gòu)體的指針，用于存儲(chǔ)信號(hào)先前的處理方式。如果不需要獲取原來(lái)的處理方式，可將其設(shè)置為 NULL。

返回值：成功返回 0；失敗返回 -1，并設(shè)置 errno。

struct sigaction 結(jié)構(gòu)體用于描述信號(hào)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(hào)處理函數(shù)指針，與 signal() 函數(shù)中的 handler 參數(shù)相同。可設(shè)置為自定義函數(shù)、SIG_IGN（忽略信號(hào)）或 SIG_DFL（系統(tǒng)默認(rèn)處理）。

• sa_sigaction：另一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)指針，用于處理帶有更多信息的信號(hào)。與 sa_handler 互斥，通常使用 sa_handler。選擇使用 sa_sigaction 需設(shè)置 SA_SIGINFO 標(biāo)志。

• sa_mask：定義在執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)期間要阻塞的信號(hào)集合，以避免信號(hào)之間的競(jìng)爭(zhēng)條件。

• sa_flags：標(biāo)志位，用于控制信號(hào)的處理行為。常用標(biāo)志包括：

• SA_NOCLDSTOP：阻止當(dāng)子進(jìn)程停止或恢復(fù)時(shí)發(fā)送 SIGCHLD 信號(hào)。

• SA_NOCLDWAIT：子進(jìn)程終止時(shí)不變?yōu)榻┦M(jìn)程。

• SA_NODEFER：不阻塞自身的信號(hào)。

• SA_RESETHAND：執(zhí)行完信號(hào)處理后將信號(hào)恢復(fù)為默認(rèn)處理方式。

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

• SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 代替 sa_handler。

• sa_restorer：已過(guò)時(shí)，通常不使用。

siginfo_t 結(jié)構(gòu)體用于在 sa_sigaction 處理信號(hào)時(shí)傳遞更多的上下文信息，結(jié)構(gòu)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(gè)使用 sigaction() 捕獲 SIGINT 信號(hào)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(wú)限循環(huán)，等待信號(hào)    while(1) {        printf("Running...n");        sleep(1);    }     return 0;}

在這段代碼中，sigaction() 用來(lái)設(shè)置 SIGINT 信號(hào)的處理方式。當(dāng)用戶按下 CTRL+C 發(fā)送 SIGINT 信號(hào)時(shí)，程序會(huì)調(diào)用 handle_signal() 函數(shù)，該函數(shù)可以通過(guò) siginfo_t 結(jié)構(gòu)體獲取信號(hào)的更多信息，比如發(fā)送信號(hào)的進(jìn)程 ID。

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注意事項(xiàng)

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序剛啟動(dòng)時(shí)，或在程序中未調(diào)用 signal() 或 sigaction() 來(lái)顯式設(shè)置信號(hào)處理方式時(shí)，進(jìn)程對(duì)所有信號(hào)的處理方式通常為系統(tǒng)默認(rèn)操作。這意味著大多數(shù)信號(hào)在未被特殊處理的情況下，都會(huì)執(zhí)行默認(rèn)的處理動(dòng)作。

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程使用 fork() 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程時(shí)，子進(jìn)程會(huì)繼承父進(jìn)程的信號(hào)處理方式。由于子進(jìn)程是通過(guò)復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存映像而創(chuàng)建的，所以信號(hào)捕獲函數(shù)的地址在子進(jìn)程中同樣有效。這意味著子進(jìn)程將會(huì)繼承父進(jìn)程的信號(hào)處理函數(shù)和其他相關(guān)的信號(hào)處理狀態(tài)。

這種繼承機(jī)制確保了子進(jìn)程在初始狀態(tài)下能夠正確處理信號(hào)，避免因?yàn)槲炊x的信號(hào)處理而導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的行為。如果需要，子進(jìn)程可以在運(yùn)行過(guò)程中修改其信號(hào)處理方式，從而實(shí)現(xiàn)特定的行為需求。

在設(shè)計(jì)信號(hào)處理函數(shù)時(shí)，通常建議保持其簡(jiǎn)單性。這與設(shè)計(jì)中斷處理函數(shù)的原則相似：處理函數(shù)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)短和高效，避免執(zhí)行大量耗費(fèi) CPU 時(shí)間的操作。

主要原因如下：

• 減少信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)條件：信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)條件（Race Condition）指的是在多線程或多進(jìn)程環(huán)境中，不同信號(hào)可能在不合適的時(shí)間內(nèi)打斷正在處理的代碼，導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。如果信號(hào)處理函數(shù)復(fù)雜且耗時(shí)較長(zhǎng)，進(jìn)程在執(zhí)行處理函數(shù)時(shí)，可能會(huì)接收到相同或其他信號(hào)，增加競(jìng)爭(zhēng)條件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

• 保證系統(tǒng)響應(yīng)性：信號(hào)處理函數(shù)應(yīng)快速完成，以確保系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)其他事件或信號(hào)。如果處理函數(shù)占用了大量的 CPU 時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)速度可能會(huì)受到影響，尤其是在實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中。

• 減少對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響：復(fù)雜的信號(hào)處理函數(shù)可能會(huì)改變進(jìn)程的全局狀態(tài)（如修改全局變量），這可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程在信號(hào)處理完成后進(jìn)入不一致的狀態(tài)。因此，簡(jiǎn)單的處理函數(shù)可以減少這些副作用。

最佳實(shí)踐：

• 在信號(hào)處理函數(shù)中，只執(zhí)行必要的操作，如設(shè)置一個(gè)標(biāo)志或記錄一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)。

• 如果需要執(zhí)行復(fù)雜的邏輯，可以在信號(hào)處理函數(shù)中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，然后在主程序的主循環(huán)中檢查該標(biāo)志，并執(zhí)行相應(yīng)的復(fù)雜邏輯。

  這種方式可以有效分離信號(hào)處理與復(fù)雜邏輯，降低風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)保持信號(hào)處理函數(shù)的簡(jiǎn)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(wèn)題和復(fù)雜的調(diào)試過(guò)程。