C 语言信号处理：signal() 函数与信号捕获

在 Linux 或类 Unix 系统中运行 C 程序时，程序可能会收到来自操作系统的“信号”（Signal），比如用户按下 Ctrl + C 发送的中断信号。如果不做处理，程序会直接终止。使用 signal() 函数可以捕获这些信号，并指定自定义的处理方式，让程序优雅地响应或忽略它们。

1. 理解信号的基本概念

信号是操作系统通知进程发生了某种事件的一种机制。常见的信号包括：

• SIGINT：由用户按下 Ctrl + C 触发，表示“中断”。
• SIGTERM：请求程序终止（比如执行 kill 命令）。
• SIGKILL：强制终止程序（无法被捕获或忽略）。
• SIGUSR1 / SIGUSR2：用户自定义信号，可用于进程间通信。

注意：不是所有信号都能被捕获。例如 SIGKILL 和 SIGSTOP 是不能被 signal() 处理的。

2. 使用 signal() 函数注册信号处理器

signal() 函数的原型在 <signal.h> 头文件中定义：

#include <signal.h>

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

其中：

• signum 是要捕获的信号编号（如 SIGINT）。
• handler 是一个函数指针，指向你自定义的处理函数。

编写步骤如下：

1. 包含头文件：在代码开头添加 #include <signal.h>。
2. 定义处理函数：该函数必须返回 void，且接受一个 int 参数（即信号编号）。
3. 调用 signal()：将信号和处理函数关联起来。
4. 编写主程序逻辑：确保程序不会立即退出，以便测试信号处理。

下面是一个完整示例，捕获 SIGINT（即 Ctrl + C）：

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

void handle_sigint(int sig) {
    printf("\n收到 SIGINT 信号 (%d)，程序不会立即退出。\n", sig);
    printf("再按一次 Ctrl+C 才退出。\n");
    signal(SIGINT, SIG_DFL); // 恢复默认行为
}

int main() {
    signal(SIGINT, handle_sigint);

    printf("程序运行中... 按 Ctrl+C 测试信号捕获。\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

编译并运行：

gcc -o sigtest sigtest.c
./sigtest

第一次按 Ctrl + C 时，程序会打印提示信息但继续运行；第二次按 Ctrl + C 才会真正退出，因为此时已恢复默认行为（SIG_DFL）。

3. signal() 的局限性与注意事项

虽然 signal() 简单易用，但它存在一些问题：

• 不可靠：在某些系统上，信号处理函数执行后，信号的处理方式可能自动重置为默认（SIG_DFL），导致后续相同信号无法被捕获。
• 可移植性差：不同 Unix 系统对 signal() 的实现不一致。
• 功能有限：无法设置额外选项（如是否重启被中断的系统调用）。

因此，在生产代码中，更推荐使用 sigaction() 函数，它提供了更精确、可靠和可移植的信号处理机制。但对于学习或简单脚本，signal() 足够直观。

4. 常见信号及其默认行为

下表列出了常用信号及其默认动作，帮助你判断哪些信号适合捕获：

注意：信号编号在不同系统上可能略有差异，应始终使用符号常量（如 SIGINT）而非硬编码数字。

5. 实战：让程序安全退出

很多后台程序需要在收到终止信号时清理资源（如关闭文件、释放内存）。下面是一个安全退出的示例：

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

volatile sig_atomic_t keep_running = 1;

void cleanup_handler(int sig) {
    keep_running = 0; // 设置标志，主循环将退出
}

int main() {
    signal(SIGINT, cleanup_handler);
    signal(SIGTERM, cleanup_handler);

    FILE *log = fopen("app.log", "w");
    if (!log) {
        perror("无法创建日志文件");
        exit(1);
    }

    fprintf(log, "程序启动\n");
    fflush(log);

    while (keep_running) {
        fprintf(log, "工作进行中...\n");
        fflush(log);
        sleep(2);
    }

    fprintf(log, "收到终止信号，正在清理...\n");
    fclose(log);
    printf("程序已安全退出。\n");

    return 0;
}

关键点：

• 使用 volatile sig_atomic_t 类型的全局变量作为退出标志，确保信号处理函数与主线程之间的可见性。
• 在信号处理函数中只做最简单的操作（如设置标志），避免调用 printf、malloc 等非异步信号安全函数。
• 主循环定期检查标志，决定是否退出。

6. 避免在信号处理函数中做复杂操作

信号处理函数是在“中断上下文”中执行的，此时主程序可能处于任意状态。因此，只能调用“异步信号安全”的函数。根据 POSIX 标准，以下函数是安全的（部分）：

• _exit()
• write()
• read()
• kill()
• signal()
• sigaction()

而以下函数不安全，禁止在信号处理函数中使用：

• printf()
• malloc()
• free()
• exit()
• 大多数标准 I/O 函数

因此，最佳实践是：在信号处理函数中仅设置一个全局标志，由主程序在安全时机处理。

7. 忽略信号

除了自定义处理，你还可以选择忽略某个信号：

signal(SIGINT, SIG_IGN); // 忽略 SIGINT

此后，即使用户按下 Ctrl + C，程序也不会中断。这在某些守护进程或批处理任务中有用。

8. 恢复默认行为

如果之前修改了信号处理方式，可以通过以下方式恢复：

signal(SIGINT, SIG_DFL); // 恢复默认行为（通常是终止进程）

这在临时屏蔽信号后再恢复时很有用。