24、信号处理：信号的分类、信号处理函数、异步信号安全函数

信号处理这个话题，说实话，是很多C语言并发程序员容易忽视的角落。我早年做嵌入式系统时，就吃过信号处理的亏——一个没处理好的SIGPIPE信号，让整个服务进程静默退出了，排查了半天才找到原因。嗯，从那以后，我对信号就格外上心。

信号本质上是一种软件中断。它通知进程某个事件发生了。你想想看，操作系统通过信号这种机制，让进程能响应外部或内部的异步事件。说白了，信号就是内核跟用户态进程之间的一种“紧急通知”。

信号的分类

信号分两大类：标准信号和实时信号。标准信号是Unix早期定义的，编号从1到31。实时信号是后来POSIX标准扩展的，编号从SIGRTMIN到SIGRTMAX，通常有31个。

标准信号有个特点：不支持排队。如果同一个标准信号连续来了多次，进程可能只收到一次。我在项目中遇到过这种情况——一个高并发网络服务，多个客户端同时断开连接，SIGPIPE信号蜂拥而至，但进程只处理了其中一次，其他连接的错误就漏掉了。

实时信号就不一样了。它们支持排队，而且可以携带附加数据（通过sigqueue函数发送）。每个实时信号都会按顺序被处理，不会丢失。

常见的标准信号我列一下：

信号处理函数

处理信号，传统方式是用signal()函数。但我个人习惯用sigaction()，因为它更可靠、功能更强大。signal()在不同Unix系统上的行为有差异，而sigaction()是POSIX标准定义的，行为一致。

来看一个简单的例子：

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

void sigint_handler(int signo) {
    // 注意：这里只做简单操作
    write(STDOUT_FILENO, "\nCaught SIGINT!\n", 16);
}

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

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

    printf("Press Ctrl+C to trigger signal...\n");
    while (1) {
        pause();  // 等待信号
    }
    return 0;
}

这段代码里，我注册了一个SIGINT的处理函数。当用户按下Ctrl+C时，不会终止进程，而是打印一条消息。注意我用了write()而不是printf()——为什么？后面会讲。

sigaction结构体有三个关键字段：

• sa_handler：信号处理函数指针
• sa_mask：在处理当前信号时，要额外阻塞的信号集
• sa_flags：控制信号行为的标志位，比如SA_RESTART可以让被信号中断的系统调用自动重启

异步信号安全函数

这是信号处理中最容易踩坑的地方。信号处理函数是异步执行的——它可能在程序执行的任何时刻被触发。这意味着，你在信号处理函数里调用的函数，必须是“异步信号安全”的。

什么叫异步信号安全？简单说，就是函数内部不会使用全局或静态的非重入数据结构，不会调用malloc/free这类可能修改全局状态的操作，也不会持有锁。

我曾经犯过一个错误：在信号处理函数里调用了printf()。结果程序偶尔会莫名其妙地卡死。排查了很久才发现，printf内部使用了全局锁，而信号触发时主程序正好也在调用printf，两个printf互相等待，死锁了。

POSIX标准明确规定了哪些函数是异步信号安全的。我常用的几个：

• write()：直接系统调用，安全
• read()：直接系统调用，安全
• _exit()：立即退出，不执行清理，安全
• sig_atomic_t类型的变量读写：原子操作，安全
• signal() / sigaction()：设置信号处理函数，安全

不安全的函数就太多了：printf、malloc、free、fprintf、sprintf、任何锁操作、任何可能修改errno的函数（除非你保存和恢复errno）。

来看一个正确的做法：

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

volatile sig_atomic_t got_signal = 0;

void handler(int signo) {
    // 只做一件事：设置标志
    got_signal = 1;
}

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

    printf("Waiting for signal...\n");
    while (!got_signal) {
        // 主循环做实际工作
        pause();
    }

    printf("Signal received, cleaning up...\n");
    // 在这里做真正的清理工作
    return 0;
}

这个模式很实用。信号处理函数只设置一个标志，主程序在循环中检查这个标志，然后做实际的处理。这样既响应了信号，又避免了在信号上下文里调用不安全的函数。

信号处理的核心逻辑

我把信号处理的整体流程画了一张图，方便你理解：

从这张图可以看出，信号从产生到被处理，中间要经过“递送”和“阻塞判断”两个关键环节。如果信号被阻塞，它会挂起在待处理队列里，直到解除阻塞后才递送。如果没被阻塞，就直接执行处理函数或默认动作。

最后总结一下信号处理的几个要点：

• 用sigaction()代替signal()，行为更可控
• 信号处理函数只做最小操作，设置标志或写简单消息
• 只调用异步信号安全函数，避免printf、malloc等
• 使用volatile sig_atomic_t类型声明共享标志变量
• 考虑使用SA_RESTART标志，减少EINTR错误处理
• 实时信号支持排队和携带数据，适合需要可靠传递的场景

信号处理看起来简单，但细节很多。你想想看，一个异步执行的小函数，如果写得不小心，可能让整个系统崩溃。嗯，多写多练，慢慢就有感觉了。

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