信号处理
原理
操作系统信号模型
信号是 Unix/Linux 系统的异步通知机制——一个进程（或内核）向另一个进程发送信号，目标进程在合适的时机处理。
信号的三个阶段：
- 产生：内核或其他进程发送信号
- 未决：信号已发送但目标进程尚未处理，存储在进程的
task_struct->pending位图和链表中 - 递达：目标进程执行信号处理函数
内核的信号递达路径
1. 内核设置 pending.signal 位图中对应位
2. 若目标进程睡眠 → 唤醒（TASK_INTERRUPTIBLE）
3. 进程被调度运行时，返回用户态之前：
内核检查 pending 位图 → 若存在未决信号且未被屏蔽
→ 内核设置用户态栈帧
→ 进程返回到用户态时，执行信号处理函数
4. 处理函数执行完毕 → sigreturn 系统调用 → 恢复中断的执行流
```cpp
### 信号处理函数的执行上下文
信号处理函数使用进程的用户栈（或通过 `sigaltstack` 设置的内核信号栈），但它是**异步调用**的——不在正常调用链中，可以在 main()、malloc() 甚至 printf() 执行到一半时被调用。这是信号安全限制的根源。
### 异步信号安全
信号处理函数中只能调用**异步信号安全函数**（POSIX 标准定义）。不安全的函数（如 `printf`、`cout`、`malloc`、`std::string` 操作）内部使用锁——若主程序执行这些函数到一半时被信号打断，再调用同一函数会导致死锁。
安全函数包括：`write()`、`read()`、`_exit()`、`signal()`、`close()`、`fork()`、`kill()`、`waitpid()`、`alarm()`。
### sig_atomic_t 的语义
`sig_atomic_t` 是一个整数类型，对它的读写不会被信号中断——在 x86 上对应单条 `mov` 指令。`volatile` 告诉编译器不要优化对该变量的访问（不用寄存器缓存，每次都从内存读取）。主循环通过轮询此标志在信号处理函数外部安全执行复杂操作。
```cpp
volatile sig_atomic_t g_flag = 0;
void handler(int) { g_flag = 1; } // 安全：只写标志
// 主循环：安全处理 g_flag（不在信号处理函数内部）
```cpp
### sigaction vs signal
C 标准库的 `signal()` 在不同 Unix 系统上行为不一致——某些系统会在处理函数执行后恢复为默认处理。POSIX 的 `sigaction()` 提供精确控制：
- 可获取发送者的 PID 和 UID（`SA_SIGINFO`）
- 可控制信号处理期间屏蔽哪些信号（防止重入）
- 可控制自动重启被中断的系统调用（`SA_RESTART`）
- 支持实时信号排队（SIGRTMIN~SIGRTMAX）
### 信号与多线程
多线程环境下，信号处理有特别规则：`signal()` 和 `sigaction()` 设置的处理器是进程级别的——所有线程共享。但每个线程可有独立的信号掩码（`pthread_sigmask`）。信号只会递达给一个未屏蔽该信号的线程。推荐做法：在所有工作线程中屏蔽需要处理的信号，让主线程专门处理信号。
---
## 语法
### signal()
```cpp
#include <csignal>
void handler(int sig) { /* 只做极简操作 */ }
signal(SIGINT, handler); // 注册处理器
signal(SIGHUP, SIG_IGN); // 忽略信号
signal(SIGINT, SIG_DFL); // 恢复默认处理
```cpp
### 常见信号
| 信号 | 含义 | 可否捕获 |
|---|---|---|
| SIGINT | Ctrl+C 中断 | 可 |
| SIGTERM | kill 命令终止 | 可 |
| SIGKILL | 强制终止 | **不可** |
| SIGSTOP | 强制停止 | **不可** |
| SIGSEGV | 段错误 | 可（但无法安全恢复） |
| SIGUSR1/2 | 用户自定义 | 可 |
| SIGHUP | 终端关闭/重载配置 | 可 |
| SIGALRM | alarm() 定时器到期 | 可 |
| SIGCHLD | 子进程状态改变 | 可 |
### raise() 与 kill()
```cpp
raise(SIGTERM); // 向自身发送信号（等价于 kill(getpid(), signum)）
kill(pid, SIGTERM); // 向指定进程发送信号（POSIX）
alarm(3); // 3 秒后向自身发送 SIGALRM
```cpp
### 进程终止函数
```cpp
exit(0); // 正常终止：调用 atexit 注册函数 + 全局析构
abort(); // 异常终止：发送 SIGABRT，不调用 atexit
_Exit(0); // 立即终止：不调用 atexit，不刷新缓冲区
```cpp
### 优雅退出模式
```cpp
volatile sig_atomic_t g_shutdown = 0;
void shutdown_handler(int sig) { g_shutdown = 1; }
// 主循环中安全处理
while (!g_shutdown) {
doWork(); // 正常处理
}
// 在此安全使用 cout、delete、string 等
gracefulShutdown(); // 保存状态、关闭连接、释放资源
```cpp
---
## 实践
**练习**：无专属练习题。信号处理是系统编程技能，建议实践：写一个程序接受 `SIGUSR1` 信号后切换调试模式（控制台输出级别变化），接受 `SIGTERM` 后优雅退出（保存当前状态到文件）。