信号的处理机制

Unix/Linux系统中的信号处理机制提供了一种方式，允许操作系统通知进程某个事件已经发生。信号可以由操作系统、其他进程或者进程自身产生。进程可以忽略大部分信号、捕获它们并执行特定的处理函数，或接受信号的默认行为。这里是信号处理的基本概念和机制：

信号的来源

• 硬件产生的信号：如除零操作、非法访问内存。
• 由用户产生的信号：通过键盘中断（如Ctrl+C产生SIGINT）。
• 由系统调用产生的信号：例如，kill 和 alarm 系统调用。
• 由软件条件产生的信号：例如，子进程结束时向父进程发送SIGCHLD信号。

信号的处理方式

进程可以以三种方式之一来响应信号：

1. 执行默认动作：大多数信号的默认行为是终止进程。某些信号的默认行为可能包括停止（挂起）进程或忽略信号。
2. 忽略信号：进程可以显式地告诉操作系统忽略某些信号（SIGKILL和SIGSTOP除外，这两个信号不能被忽略或捕获）。
3. 捕获信号并执行信号处理函数：进程可以为特定的信号注册一个函数，当信号发生时，操作系统会调用这个函数。

注册信号处理函数

在C和C++中，可以使用signal()或sigaction()函数来注册信号处理函数。sigaction()提供了更多的控制，包括对信号处理的各种选项的设置。

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

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

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = handle_sigint;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0; // 或者使用SA_RESTART来让被信号打断的系统调用自动重启
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    // 主循环
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

信号的未决和阻塞

• 未决信号（Pending）：当信号产生并发送给进程，但由于某种原因（通常是进程暂时阻塞该信号）尚未被处理，这样的信号称为未决信号。
• 阻塞信号（Blocking）：进程可以使用sigprocmask()函数来阻塞特定的信号。被阻塞的信号不会被进程处理，直到它们被解除阻塞。

实时信号

Linux还支持实时信号，这是POSIX标准的一部分，提供了一种更可靠的信号机制。实时信号具有以下特点：

• 排队能力：实时信号可以排队，多个相同的实时信号可以独立递送给进程，不会像标准信号那样合并。
• 有序递送：实时信号是按照它们产生的顺序递送的。

信号处理机制是Unix/Linux系统编程中的一个核心概念，了解和掌握它对于编写健壮的、能够正确响应外部事件的程序至关重要。

实时信号是POSIX标准定义的扩展信号集，提供了比传统UNIX信号更多的特性和更好的可靠性。实时信号的范围通常从SIGRTMIN到SIGRTMAX。实时信号的主要优势在于它们支持队列化（即可以有多个同一信号等待处理），并且保证按照发送顺序递送给进程，这解决了传统信号可能丢失的问题（因为非实时信号如果多次发送且未被处理，它们会合并为一个）。

实时信号的特性

1. 队列化：不同于标准信号，如果发送给进程的实时信号还未被处理，新的相同类型的实时信号可以排队等待处理。这减少了信号丢失的风险，提高了信号机制的可靠性。

2. 有序递送：实时信号按照它们发送的顺序递送给进程。如果进程同时收到多个实时信号，这些信号将按照它们被发送的顺序处理。

3. 确定性：实时信号提供了一种更确定性的通信机制，因为它们的这两个特性（队列化和有序递送）允许进程更精确地控制和处理外部事件。

使用实时信号

在C或C++程序中，可以使用sigaction()来设置实时信号的处理函数，因为signal()函数可能不支持实时信号的语义。设置实时信号处理器时，可以指定SA_SIGINFO标志来获得关于信号的额外信息，这通过siginfo_t结构提供。

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

void rt_handler(int sig, siginfo_t *si, void *unused) {
    printf("Received real-time signal %d\n", sig);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, 0, sizeof(sa));

    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sa.sa_sigaction = rt_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);

    if (sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }

    // 现在进程可以处理SIGRTMIN信号了
    // 发送实时信号到自身
    if (kill(getpid(), SIGRTMIN) == -1) {
        perror("kill");
        return 1;
    }

    pause(); // 等待接收信号
    return 0;
}

注意事项

• 实时信号的使用应当谨慎，因为不当的使用可能会导致进程的信号队列迅速填满，从而影响系统性能。
• 实时信号的数量有限，因此在设计应用程序时应当注意到信号的使用和分配。
• 在多线程程序中，信号处理变得更加复杂，特别是实时信号。需要注意信号的阻塞和目标线程的选择。

实时信号提供了一种更可靠、更灵活的方式来处理进程间通信和事件通知，但它们也需要更加细致的控制和管理。

信号处理函数的可重入性（Reentrancy）是指在信号处理函数执行的任何时刻，如果该进程再次收到信号并执行相同的或另一个信号处理函数，程序仍能正确执行的能力。一个可重入的函数可以被中断（在执行过程中被信号处理函数打断），然后安全地继续执行，不会丢失数据也不会造成数据不一致的问题。

为什么需要可重入的信号处理函数

在多任务操作系统中，程序随时可能被中断以响应外部信号。如果信号处理函数在执行时修改了全局数据或调用了不可重入的函数，那么当它被另一个信号打断时，可能会导致数据不一致或其他未定义行为。

可重入函数的特性

• 不使用全局或静态变量：可重入函数不应使用或修改任何全局或静态数据结构，除非这些数据结构只被该函数访问且通过某种形式的同步进行保护。
• 不调用不可重入的函数：可重入函数不应调用任何不可重入的函数。许多标准库函数（如printf、malloc和free）都是不可重入的。
• 使用局部变量：可重入函数应尽可能使用局部变量。局部变量存储在栈上，每个执行线程（或信号处理调用）都有自己的栈，因此局部变量的使用是安全的。

例子

一个简单的可重入函数例子是简单地增加一个由参数传递的计数器的值：

void safe_increment(int *counter) {
    (*counter)++;
}

这个函数是可重入的，因为它只修改通过其参数传递的数据，并且没有调用任何不可重入的函数，也没有使用全局或静态数据。

在信号处理中保持可重入性

为了保证信号处理函数的可重入性，应避免在信号处理函数中执行复杂的操作，特别是避免调用可能不是线程安全的库函数。如果需要在信号处理函数中执行复杂操作，一种常见的做法是简单地设置一个由主程序轮询的标志变量，或使用线程安全的同步机制（如信号量或管道）来通知主程序或其他线程需要执行的操作。

总之，确保信号处理函数的可重入性是编写稳定可靠信号处理代码的关键。这要求开发者对使用的操作有深入的了解，并且在设计信号处理逻辑时采取谨慎的方法。