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。

信号的基本概念

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）

C++ 中的信号处理 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

在信号处理函数中必须非常小心，因为它是异步调用的，所以：

可以做的事情：

• 设置全局变量
• 调用 write、_exit 等异步信号安全（async-signal-safe）的函数

不安全的操作：

• 使用 printf（可能是线程不安全的）
• 使用 malloc、new、文件 I/O、lock、其他可能阻塞的系统调用

因此，更安全的做法是：

• 设置标志变量，在主循环中检查它并做后续处理

#include <csignal>
#include <atomic>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

std::atomic<bool> stopFlag(false);

void handler(int signum) {
    stopFlag = true;
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);
    while (!stopFlag) {
        std::cout << "Working...\n";
        sleep(1);
    }
    std::cout << "Exiting gracefully\n";
}

更强大的 signal 替代：sigaction

signal 有实现差异且不支持重入保护等特性，更推荐使用：

#include <csignal>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

void handler(int signo) {
    std::cout << "Signal " << signo << " caught\n";
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask); // 处理期间不屏蔽信号
    sa.sa_flags = 0;          // 默认行为

    sigaction(SIGINT, &sa, nullptr);
    while (true) {
        std::cout << "Running...\n";
        sleep(1);
    }
}

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

• 优雅退出（处理 SIGINT）
• 热重启配置（例如处理 SIGHUP）
• 崩溃调试（处理 SIGSEGV，记录日志）
• 定时器机制（如 SIGALRM）

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

补充：线程与信号

• 默认情况下，信号发送给进程，内核会选择一个线程来处理。
• 使用 pthread_sigmask 可设置线程屏蔽信号。
• 使用 sigwait() 系列函数可同步等待信号（适合多线程）。