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C 语言信号处理与可重入性 ​

更新时间：2026-08-26。本文是 languages/c/ 主题专家层文档。信号是异步的——它可能在程序执行的任意时刻打断你，跳进信号处理器。这个"任意时刻"带来了一个致命问题：信号处理器里能调什么函数？ 调错了，程序就在你最想不到的地方崩掉。本文讲透这个"禁区"。

本文要回答的问题 ​

  • 信号处理器里为什么不能随便调 printf？什么函数才"安全"？
  • volatile sig_atomic_t 是什么？为什么信号标志变量要用它？
  • signal 和 sigaction 有什么区别？为什么推荐后者？

一、信号的异步性 ​

信号是异步事件：进程可能正在执行 malloc、正在 printf、正持有某把锁，这时信号到了，CPU 直接跳去执行信号处理器。

C 语言信号处理与可重入性 示意图

问题在于：如果处理器里又调用了 malloc，而主程序正执行到 malloc 一半（内部数据结构不完整），就会二次进入 malloc、破坏其内部状态 → 死锁或崩溃。

二、async-signal-safe 函数 ​

POSIX 规定了一批**异步信号安全（async-signal-safe）**函数——它们在信号处理器里调用是安全的。核心清单：

类别安全函数
写write、read（不是 printf/fread）
进程_exit、fork、waitpid、kill
信号signal、sigaction、raise
标志sem_post
系统getpid、alarm、sleep、socket/connect（部分）

关键禁区：printf、malloc、free、fopen、pthread_mutex_lock 都不安全（因为它们内部有锁或共享状态）。

c
// 错误：信号处理器里调 printf（不安全）
static void handler(int sig) {
    printf("caught %d\n", sig);   // 危险！
}

// 正确：用 write（安全）
static void handler(int sig) {
    const char msg[] = "caught signal\n";
    write(1, msg, sizeof(msg) - 1);   // write 是 async-signal-safe
}

三、volatile sig_atomic_t ​

信号处理器和主程序共享的标志变量，必须用 volatile sig_atomic_t：

c
static volatile sig_atomic_t flag = 0;

static void handler(int sig) {
    flag = 1;   // 只做赋值，保证原子、可见
}

int main(void) {
    signal(SIGINT, handler);
    while (!flag) {
        /* 主循环干活 */
    }
    /* 收到信号，退出 */
}
要点原因
volatile阻止编译器优化掉对 flag 的读取（缓存到寄存器）
sig_atomic_t保证读写是原子的（单指令完成），不会被信号打断到一半

四、signal vs sigaction ​

对比signalsigaction
可移植性语义因平台而异POSIX 标准、语义一致
控制粒度粗细（可设 SA_RESTART、SA_SIGINFO 等）
推荐度历史遗留推荐
c
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);      // 处理器执行期间屏蔽哪些信号
sa.sa_flags = SA_RESTART;      // 被信号打断的系统调用自动重启
sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

SA_RESTART 尤其重要：不加它，慢系统调用（如 read）被信号打断后返回 EINTR，需要手动重试（见 系统调用封装）。

五、段错误 SIGSEGV 实测 ​

段错误是"访问了不该访问的内存"，内核发 SIGSEGV：

c
int *p = NULL;
*p = 42;   // 解引用空指针 → 段错误

实测：

text
Segmentation fault      ./signal-test
退出码: 139   （128 + 11，11 是 SIGSEGV 的信号编号）

退出码 = 128 + 信号编号，这是 shell 报告"被信号杀死"的约定。SIGSEGV=11 → 139，SIGINT=2 → 130。

完整段错误排查见 crash 段错误排查 和 core dump。

六、与本站主线衔接 ​

  • 信号内核机制：信号的生成、递送、阻塞、处理流程，见 信号机制。
  • crash 排查线：段错误、core dump 的完整排查，见 crash 排查线。
  • EINTR 与重试：信号打断系统调用，见 系统调用封装。
  • 可重入性：与线程安全的区别，见 并发编程。

一句话总结 ​

信号处理器是"禁区"——只能调 async-signal-safe 函数（write 可以、printf/malloc 不行）、共享标志用 volatile sig_atomic_t、注册用 sigaction + SA_RESTART；违反这些，程序会在任意时刻莫名其妙地死锁或崩溃。