C语言信号处理与异常安全保证：构建稳定程序的必备技能

# 1. C语言信号处理基础

C语言作为一门系统级编程语言，在进行系统编程或嵌入式开发时，处理各种信号是必不可少的技能之一。信号是软件中断的一种，它通知程序发生了某个事件。理解C语言中的信号处理机制，对提高程序的健壮性和用户体验至关重要。

## 1.1 信号的基本概念

在Unix/Linux操作系统中，信号是一种软件通知，用来告诉进程某个特定事件已经发生。每个信号类型都有一个唯一的整数标识符，并且可能有一个默认的处理行为，例如终止进程、忽略信号或暂停进程执行。

## 1.2 信号的生命周期

信号从生成到被处理，经历着创建、排队、传递和处理几个阶段。进程可以使用不同的方法来改变这些信号的默认行为，例如忽略、捕获（自定义处理函数）或恢复默认行为。

## 1.3 信号处理函数

C语言提供了几个用于信号处理的函数。其中，`signal()`函数允许用户设置一个信号的处理函数，而`raise()`函数用于向当前进程发送信号。这些函数在处理程序中起到了核心作用。

通过掌握这些基础知识，我们能够为后续章节中深入探讨信号处理与异常安全性的策略与实现打下坚实的基础。接下来的章节会逐步展开讨论信号处理的理论与实践、异常安全保证的策略以及它们如何相结合，从而在实际应用中确保程序的健壮性和可靠性。

# 2. 信号处理的理论与实践

## 2.1 信号的生成与分类

### 2.1.1 系统信号概览

在C语言的信号处理机制中，系统信号是不可忽视的一部分。系统信号是操作系统用来通知进程发生了某个事件的软件中断。这些信号可以由系统内部事件产生，如除零错误、访问违规等，也可以由外部事件产生，如用户按下了Ctrl+C中断键。系统信号通常分为两大类：同步信号和异步信号。

- **同步信号**：这类信号通常是因为程序执行了某些错误操作引发的，例如引用了非法内存地址。这类信号通常可以预测，并且它们是可重现的，因为它们总是发生于执行特定代码行时。

- **异步信号**：这类信号的发生与当前执行的指令流没有直接关系，比如用户中断信号（如SIGINT），或者硬件异常信号（如SIGSEGV）。异步信号处理更为复杂，因为它们的发生时机无法预测。

在处理这些信号时，程序员通常会利用各种工具和技术来确保程序的稳定性和正确性。例如，对于同步信号，可以通过静态代码分析工具来检测潜在的错误；对于异步信号，则需要设计合理的信号处理程序来响应。

### 2.1.2 用户自定义信号

除了系统提供的标准信号外，C语言还允许用户自定义信号。这在某些场景下非常有用，比如当你想让程序响应特定的用户行为时。用户自定义信号通过`kill`函数发送，其中信号编号是一个用户自定义的整数值（大于`SIGRTMIN`）。

要实现用户自定义信号，程序需要先注册一个信号处理函数来处理这种信号。这与处理系统信号的方式类似，但程序员必须确保信号编号在允许的用户定义范围内。用户自定义信号为程序的可扩展性和灵活性提供了可能。

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

void signal_handler(int signum) {
    printf("Received signal: %d\n", signum);
}

int main() {
    // 设置信号处理函数
    if (signal(SIGUSR1, signal_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 发送信号给本进程
    if (raise(SIGUSR1) != 0) {
        perror("raise");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}

在上面的代码示例中，我们为`SIGUSR1`信号定义了一个处理函数`signal_handler`。然后通过`signal`函数告诉系统，当`SIGUSR1`信号发生时，应该调用`signal_handler`。最后，我们使用`raise`函数模拟发送了一个`SIGUSR1`信号。

## 2.2 信号处理函数与机制

### 2.2.1 signal()函数的使用

`signal()`函数是C语言标准中定义的用于设置信号处理函数的接口。其原型如下：

void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

该函数接受两个参数：第一个参数`sig`是要处理的信号编号；第二个参数`func`是一个函数指针，指向当信号发生时需要调用的处理函数。这个函数将返回旧的信号处理函数指针，如果无法设置处理函数则返回SIG_ERR。

使用`signal()`函数可以非常方便地为信号设置处理函数，然而，在多线程程序中，`signal()`的行为并不是线程安全的。因此，在复杂的应用程序中，推荐使用更可靠的方法，如`sigaction()`。

### 2.2.2 sigaction()的高级特性

与`signal()`相比，`sigaction()`提供了更多控制信号处理行为的选项。其原型如下：

int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

`sigaction`结构体中可以包含信号处理函数，以及一个`sa_mask`成员，用于指示当信号处理函数正在执行时，哪些信号应该被阻塞。这样，我们可以精确控制信号处理过程中的信号阻塞行为。

使用`sigaction()`的一个好处是它允许我们设置信号处理函数时指定`SA_SIGINFO`标志，这允许我们接收额外的关于信号的信息，如信号值、产生信号的进程ID等。这使得处理复杂的信号情况变得更加灵活和强大。

struct sigaction act;

// 清空结构体
memset(&act, 0, sizeof(act));

act.sa_handler = signal_handler; // 设置信号处理函数
sigemptyset(&act.sa_mask);       // 初始化信号阻塞集为空
act.sa_flags = SA_RESTART;       // 指定信号处理后自动重启被中断的系统调用

// 设置信号处理
if (sigaction(SIGINT, &act, NULL) == -1) {
    perror("sigaction");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

上述代码展示了如何使用`sigaction()`来设置`SIGINT`信号的处理函数，并指定了一些处理选项。注意，在设置信号处理时，应当总是检查`sigaction()`返回值以确认设置成功。

## 2.3 信号阻塞与排队机制

### 2.3.1 信号阻塞的策略

在多信号环境中，如果没有适当的控制，可能会导致信号处理程序的竞态条件。为了防止这种情况，C语言提供了信号阻塞机制，允许程序员指定在执行信号处理函数时，哪些信号应该被阻塞。

信号阻塞可以通过`sigprocmask()`函数来实现，它允许我们改变调用进程的阻塞信号集。使用`sigprocmask()`可以添加信号到阻塞集中、从阻塞集中移除信号或替换整个阻塞集。

sigset_t set, oldset;
sigemptyset(&set);          // 初始化信号集为空集
sigaddset(&set, SIGINT);    // 添加SIGINT到信号集
sigaddset(&set, SIGQUIT);   // 添加SIGQUIT到信号集

// 更改阻塞集
if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset) == -1) {
    perror("sigprocmask");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

在上面的代码中，我们首先初始化了两个信号集，一个是待操作的信号集`set`，另一个是存储旧阻塞信号集的`oldset`。我们将`SIGINT`和`SIGQUIT`添加到`set`中，然后使用`sigprocmask()`阻塞这些信号。`SIG_BLOCK`操作表示我们在当前阻塞集的基础上添加新的信号。

### 2.3.2 信号排队的实现

当多个相同信号被发送到一个进程时，默认情况下它们会被合并成一个信号。但C语言允许我们通过配置`sa_mask`成员来改变这种行为，以便允许信号排队。

如果在信号处理函数执行过程中，该信号再次被触发，且信号允许排队，那么新的信号实例将会被加入队列中。这提供了更细粒度的控制，但也要