嵌入式Linux：進(jìn)程如何處理信號

在Linux系統中，當進(jìn)程接收到信號后，可以通過(guò)設置信號處理方式來(lái)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(jìn)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(gè)處理函數，當信號到達時(shí)執行該函數。

• 執行系統默認操作：采用系統預定義的信號處理方式。

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

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signal()函數

signal()函數的原型如下：

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

函數參數和含義：

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

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

• handler可以設置為以下幾種：

• 用戶(hù)自定義函數：這是一個(gè)處理函數，在接收到信號時(shí)會(huì )自動(dòng)調用這個(gè)函數。該函數的參數是一個(gè)int類(lèi)型的值，表示觸發(fā)該函數的信號編號。通過(guò)這個(gè)參數，你可以在一個(gè)函數中處理多個(gè)信號。

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

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

返回值：signal()函數的返回值是一個(gè)sig_t類(lèi)型的函數指針。成功調用時(shí)，返回指向之前信號處理函數的指針，這意味著(zhù)你可以保存這個(gè)指針，以便在將來(lái)恢復原來(lái)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(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼，展示如何使用signal()函數來(lái)捕獲SIGINT信號，并執行自定義的信號處理函數：

#include <stdio.h>#include <signal.h>#include <unistd.h> // 自定義信號處理函數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    signal(SIGINT, handle_signal);     // 無(wú)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(hù)按下CTRL+C（觸發(fā)SIGINT信號）時(shí)，自定義的handle_signal()函數會(huì )被調用，并輸出捕獲的信號編號。程序會(huì )繼續運行，而不會(huì )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

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

sigaction() 函數原型如下：

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

函數參數：

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

• sa_sigaction：另一個(gè)信號處理函數指針，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：定義在執行信號處理函數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(jìn)程停止或恢復時(shí)發(fā)送 SIGCHLD 信號。

• 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。

• SA_RESETHAND：執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(guò)時(shí)，通常不使用。

siginfo_t 結構體用于在 sa_sigaction 處理信號時(shí)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(gè)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(wú)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(lái)設置 SIGINT 信號的處理方式。當用戶(hù)按下 CTRL+C 發(fā)送 SIGINT 信號時(shí)，程序會(huì )調用 handle_signal() 函數，該函數可以通過(guò) siginfo_t 結構體獲取信號的更多信息，比如發(fā)送信號的進(jìn)程 ID。

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注意事項

當一個(gè)應用程序剛啟動(dòng)時(shí)，或在程序中未調用 signal() 或 sigaction() 來(lái)顯式設置信號處理方式時(shí)，進(jìn)程對所有信號的處理方式通常為系統默認操作。這意味著(zhù)大多數信號在未被特殊處理的情況下，都會(huì )執行默認的處理動(dòng)作。

當一個(gè)進(jìn)程使用 fork() 系統調用創(chuàng )建一個(gè)子進(jìn)程時(shí)，子進(jìn)程會(huì )繼承父進(jìn)程的信號處理方式。由于子進(jìn)程是通過(guò)復制父進(jìn)程的內存映像而創(chuàng )建的，所以信號捕獲函數的地址在子進(jìn)程中同樣有效。這意味著(zhù)子進(jìn)程將會(huì )繼承父進(jìn)程的信號處理函數和其他相關(guān)的信號處理狀態(tài)。

這種繼承機制確保了子進(jìn)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(jìn)程可以在運行過(guò)程中修改其信號處理方式，從而實(shí)現特定的行為需求。

在設計信號處理函數時(shí)，通常建議保持其簡(jiǎn)單性。這與設計中斷處理函數的原則相似：處理函數應盡可能簡(jiǎn)短和高效，避免執行大量耗費 CPU 時(shí)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(xiàn)程或多進(jìn)程環(huán)境中，不同信號可能在不合適的時(shí)間內打斷正在處理的代碼，導致不可預測的結果。如果信號處理函數復雜且耗時(shí)較長(cháng)，進(jìn)程在執行處理函數時(shí)，可能會(huì )接收到相同或其他信號，增加競爭條件發(fā)生的風(fēng)險。

• 保證系統響應性：信號處理函數應快速完成，以確保系統能夠及時(shí)響應其他事件或信號。如果處理函數占用了大量的 CPU 時(shí)間，系統響應速度可能會(huì )受到影響，尤其是在實(shí)時(shí)性要求較高的系統中。

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

最佳實(shí)踐：

• 在信號處理函數中，只執行必要的操作，如設置一個(gè)標志或記錄一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)。

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

  這種方式可以有效分離信號處理與復雜邏輯，降低風(fēng)險。

通過(guò)保持信號處理函數的簡(jiǎn)單性，你可以有效提高程序的穩定性和可靠性，減少潛在的問(wèn)題和復雜的調試過(guò)程。