46、信号处理：信号处理函数中的可重入性问题

信号处理，说白了就是程序运行时的“突发事件”。你正好好跑着代码，突然一个信号来了，CPU 得停下手里的事，跳去执行信号处理函数。这个函数里能做什么、不能做什么，学问很大。

我刚开始写嵌入式程序时，觉得信号处理很简单——不就是收到信号后打印个日志、改个标志位嘛。直到有一次，程序在信号处理函数里调用了 printf，结果莫名其妙地死锁了。查了两天才发现，printf 不是可重入的。嗯，从那以后，我对信号处理函数里的每一行代码都格外小心。

什么是可重入性？

可重入性，简单说就是：一个函数在被调用执行的过程中，如果再次被调用（比如被中断、被信号处理函数调用），它仍然能正确运行，不会出问题。

你想想看，信号处理函数是异步执行的。主程序可能正在调用 malloc 分配内存，信号来了，处理函数里又调用了 malloc。这时候内存管理的数据结构可能处于不一致状态，第二次调用就会把整个堆搞乱。

我个人的习惯是：信号处理函数里，只做最安全的事。能不做的事，坚决不做。

哪些函数是安全的？

POSIX 标准明确列出了“异步信号安全函数”列表。这些函数可以在信号处理函数中安全调用。我挑几个常用的说说：

函数	说明	我是否常用
write()	写文件描述符，注意不是 printf	常用，用来写日志
read()	读文件描述符	偶尔用
sig_atomic_t	原子类型变量，读写是安全的	几乎每个信号处理函数都用
signal()	设置信号处理方式	少用，更推荐 sigaction
_exit()	立即退出，不清理资源	紧急情况用

注意，printf、malloc、free、fopen、fclose 这些统统不在安全列表里。为什么？因为它们内部使用了全局数据结构，而且没有做重入保护。

一个典型的错误示例

我曾经在代码审查中看到过这样的写法：

// 错误示例：千万别这么写
void sigint_handler(int signo) {
    printf("Caught SIGINT\n");  // 危险！printf 不可重入
    free(ptr);                  // 危险！free 不可重入
    global_flag = 1;            // 危险！如果 global_flag 不是 sig_atomic_t
}

这段代码有三个问题：

• printf 内部有锁，如果主程序正在 printf，信号来了再 printf，可能死锁
• free 操作堆内存，堆管理数据结构可能处于不一致状态
• global_flag 如果不是 sig_atomic_t 类型，赋值可能不是原子的

正确的做法是什么？

我推荐的做法是：信号处理函数里只做一件事——设置一个标志位。主程序定期检查这个标志位，再做实际处理。

// 正确示例
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

volatile sig_atomic_t g_sigint_received = 0;

void sigint_handler(int signo) {
    // 只做最安全的事：设置标志位
    g_sigint_received = 1;
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigint_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    while (1) {
        // 主循环中检查标志位
        if (g_sigint_received) {
            // 在这里做实际处理，比如清理资源、打印日志
            printf("SIGINT received, cleaning up...\n");
            g_sigint_received = 0;
        }
        // 其他工作...
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这个模式的好处很明显：信号处理函数只做原子赋值，绝对安全。主程序在可控的时机处理信号，不会出现重入问题。

信号处理函数中的全局变量

如果你非要在信号处理函数里访问全局变量，记住两点：

• 变量类型必须是 volatile sig_atomic_t
• 变量要加 volatile 关键字，防止编译器优化

为什么加 volatile？因为编译器可能认为某个变量在循环中不会改变，把它优化到寄存器里。信号处理函数改了内存中的值，但主程序读的是寄存器里的旧值，就出问题了。

我曾经在一个网络服务器项目中遇到过这个问题。主循环检查一个标志位，编译器优化后，标志位一直读寄存器，信号来了也不退出循环。加了 volatile 后问题解决。

信号处理函数的 SVG 流程图

下面这张图展示了信号处理函数中可重入问题的核心逻辑：

避坑指南

我总结了几条实战经验，供你参考：

• 信号处理函数越短越好。理想情况下，只写一行：g_flag = 1;
• 不要使用 errno。信号处理函数可能覆盖 errno，导致主程序误判。如果必须用，先保存再恢复。
• 注意信号屏蔽。用 sigaction 的 sa_mask 字段，在处理信号时屏蔽其他信号，减少重入风险。
• 避免在信号处理函数中加锁。如果主程序已经持有锁，信号处理函数再尝试获取同一把锁，就死锁了。

我曾经在一个实时系统中，信号处理函数里调用了 pthread_mutex_lock。主程序在临界区里被信号中断，信号处理函数又去锁同一个 mutex，直接死锁。系统看门狗超时复位，整个设备重启了。从那以后，我定了一条铁律：信号处理函数里，绝对不加锁。

总结

信号处理函数的可重入性问题，说白了就是一句话：别在信号处理函数里做复杂的事。设置一个标志位，让主程序去处理，这是最安全、最可靠的做法。

记住，信号处理函数是异步的，它可能在任何时刻打断主程序。你永远不知道主程序正在调用哪个不可重入函数。所以，保持信号处理函数简单、安全，是每个嵌入式工程师的基本素养。