C++信号处理

C++ 信号处理

C++ 中的信号处理（signal handling）指的是程序在运行过程中响应特定异步事件（通常由操作系统发送的信号）的能力。信号机制在 UNIX/Linux 系统中较常见，主要用于处理诸如中断、终止、算术错误、非法访问等异常事件。

信号

信号是一种异步通信机制，由操作系统发送给进程，以通知发生了某种事件。每种信号都有一个编号和名称，例如：

信号名称	编号	含义
SIGINT	2	中断信号（如 Ctrl+C）
SIGTERM	15	请求终止进程
SIGSEGV	11	段错误，非法内存访问
SIGFPE	8	浮点异常（如除0）
SIGKILL	9	强制终止进程（不可捕获）
SIGABRT	6	程序异常终止（abort）

信号处理 API

C++ 使用 C 标准库中的 <csignal>（C 中为 <signal.h>）来处理信号。

基本函数：signal

#include <csignal>
#include <iostream>

void signalHandler(int signal) {
    std::cout << "Caught signal " << signal << std::endl;
    exit(signal);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signalHandler);  // 捕获 Ctrl+C
    while (true) {
        std::cout << "Running...\n";
        sleep(1);
    }
}

函数签名

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

特殊处理器

• SIG_DFL：默认处理方式。
• SIG_IGN：忽略信号。

例如：

signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略 Ctrl+C

信号处理函数注意事项

信号处理函数是异步调用的，可能随时打断程序执行。

• 异步调用

  • 异步 = 不按照程序主流程顺序执行。

  • 例如，程序正在执行 x = a + b;，操作系统可能突然触发一个信号，然后暂停主程序，先执行信号处理函数。

• 随时打断

  • 信号处理函数可以在任何指令中间被调用，程序不知道何时会被打断。

  • 因此，如果信号处理函数里调用了非安全操作（如 malloc、printf、加锁等），就可能破坏正在执行的代码状态，导致崩溃或死锁。

可以安全执行的操作

• 修改全局或 volatile sig_atomic_t 变量
• 调用异步信号安全函数（async-signal-safe），如 write、_exit

不安全的操作

printf / fprintf

• 这些函数使用 内部缓冲区（例如 stdout 缓冲）。
• 如果主程序正好在刷新或写入缓冲区时被信号打断，再调用 printf，缓冲区可能处于不一致状态。
• 可能导致输出错乱或程序崩溃。

malloc / free / new / delete

• 内存分配函数内部通常使用全局堆管理结构（如 free list）。
• 信号打断时，如果正在操作堆结构，再调用 malloc/free，可能破坏堆链表或分配状态，导致崩溃或内存泄漏。

文件 I/O (fopen / fclose / fwrite)

• 标准库文件操作通常会加锁以保证多线程安全。
• 信号中断时，如果线程持有锁，信号处理函数又尝试获取同一锁，就会死锁。

加锁操作（mutex、spinlock 等）

• 信号可能在主线程持有锁时打断，如果信号处理函数再次尝试加锁，程序会死锁。

其他可能阻塞的系统调用

• 如 read、wait 等，如果信号打断它们，可能导致未定义行为或阻塞不释放。

安全实践

• 在信号处理函数中只设置标志位
• 在主循环或程序正常流程中检查标志并执行具体处理

#include <csignal>    // 信号处理相关函数和宏（如 SIGINT、signal）
#include <atomic>     // 原子类型，用于线程/信号安全的标志变量
#include <iostream>   // 输入输出流
#include <unistd.h>   // sleep 函数

// 使用原子布尔变量作为信号标志，保证信号处理函数中修改安全
std::atomic<bool> stopFlag(false);

// 信号处理函数，当接收到 SIGINT（Ctrl+C）时触发
void handler(int signum) {
    stopFlag = true; // 仅设置标志位，避免在信号处理函数中执行不安全操作
}

int main() {
    // 注册信号处理函数，捕获 SIGINT
    signal(SIGINT, handler);

    // 主循环，持续工作直到收到信号
    while (!stopFlag) {
        std::cout << "Working...\n"; // 输出工作状态（非信号处理函数中安全）
        sleep(1);                     // 暂停 1 秒，模拟工作间隔
    }

    // 当 stopFlag 被设置为 true，跳出循环
    std::cout << "Exiting gracefully\n"; // 优雅退出提示

    return 0;
}

• 信号处理函数必须只执行原子性操作或 async-signal-safe 函数。
• 不保证原子性的操作、使用共享资源或可能阻塞的系统调用都是 异步不安全 的。

sigaction

signal 有实现差异且不支持重入保护等特性，更推荐使用 sigaction：

#include <csignal>   // 信号处理相关头文件（sigaction, SIGINT 等）
#include <iostream>  // 输入输出流
#include <unistd.h>  // sleep 函数

// 信号处理函数，当接收到指定信号时调用
void handler(int signo) {
    // 注意：cout 在信号处理函数中不安全，仅用于演示
    std::cout << "Signal " << signo << " caught\n";
}

int main() {
    struct sigaction sa;          // sigaction 结构体，用于定义信号行为

    sa.sa_handler = handler;      // 指定信号处理函数
    sigemptyset(&sa.sa_mask);     // 处理期间不屏蔽其他信号（空集）
    sa.sa_flags = 0;              // 默认行为（没有 SA_RESTART 或其他标志）

    // 注册信号处理函数，用于捕获 SIGINT（Ctrl+C）
    sigaction(SIGINT, &sa, nullptr);

    // 主循环，模拟程序持续运行
    while (true) {
        std::cout << "Running...\n";  // 输出运行状态
        sleep(1);                     // 暂停 1 秒，模拟工作
    }

    return 0;
}

对比：

特性	signal	sigaction
灵活性	功能有限，只能简单注册处理函数	可以精细控制信号行为（信号屏蔽、标志等）
行为一致性	不同系统/编译器实现可能不完全一致	标准化、跨平台行为更一致
信号屏蔽	不能控制信号屏蔽	可以设置处理信号时临时屏蔽其他信号
重新安装	某些系统中处理函数会被恢复默认（信号处理仅一次）	处理函数安装后不会被重置
支持的标志	无	可以设置多个标志（例如 SA_RESTART 自动重启系统调用）
安全性	有些实现中信号处理期间可能被其他信号打断	支持信号掩码，处理过程更安全

常见用途

程序终止控制

• 捕获 SIGINT（Ctrl+C）、SIGTERM 等，优雅关闭程序。
• 做法：在信号处理函数中设置标志位，主循环检测后释放资源、保存状态。

volatile sig_atomic_t stopFlag = 0;

void handler(int) { stopFlag = 1; }

while (!stopFlag) { /* 程序工作 */ }

定时任务 / 闹钟

• 使用 SIGALRM 配合 alarm() 定时触发信号。
• 常用于定时轮询、超时控制。

void alarmHandler(int) { /* 执行定时任务 */ }
alarm(5); // 5 秒后触发 SIGALRM

子进程状态监控

• 捕获 SIGCHLD 信号，检测子进程退出或异常。
• 避免僵尸进程，及时回收子进程资源。

void childHandler(int) { waitpid(-1, nullptr, WNOHANG); }

异步 I/O / 外部事件

• 捕获硬件中断或系统信号（如网络或文件事件）。
• 在信号里仅设置标志位或调用 async-signal-safe 函数，主循环处理具体逻辑。

调试与日志

• 捕获 SIGSEGV、SIGFPE 等异常信号，打印简单信息或写入日志（仅 async-signal-safe 操作）。
• 辅助排查程序崩溃原因。

信号 vs 异常 vs 中断

项目	信号	C++ 异常	硬件中断
类型	OS 级事件	编译期语言特性	CPU 层面
来源	内核/外部事件	程序代码	硬件设备
响应方式	异步触发	同步抛出/捕获	异步中断处理
例子	SIGSEGV	try-catch	鼠标点击