1. 引言：从"中断"到"信号"

想象一下，你正在书房专心致志地写代码，这时厨房的水烧开了，鸣笛声大作。你会怎么做？你会暂停（Interrupt） 手头的工作，跑去厨房关掉烧水壶，然后再回来继续 coding。

在Linux系统中，信号（Signal） 就是一种类似的异步中断机制。它允许一个进程（或内核）向另一个进程发送一个简单的消息，通知其某个特定事件的发生。接收信号的进程通常会暂停当前正在执行的指令流，转而去执行一个特殊的信号处理函数，处理完毕后（如果没退出）再回来继续执行。这就是信号最基本的概念。

本文将深入探讨信号的产生、处理以及如何利用它来构建一个简单的音乐播放器控制器。

2. 进程间通信（IPC）与信号概述

进程是操作系统资源分配和独立运行的基本单位。每个进程都拥有自己独立的地址空间，一个进程无法直接访问另一个进程的数据。因此，进程之间需要一种机制来进行通信（Communication） 与同步（Synchronization），这就是进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）。

常见的IPC方式包括：

• 信号（Signal）： 本文焦点，一种异步的、简单的通知机制。

• 管道（Pipe） / 命名管道（FIFO）： 单向或双向的字节流通信。

• 套接字（Socket）： 功能最强大，可用于网络通信和不同主机间的进程通信。

• IPC对象： 包括共享内存、信号量集、消息队列，源自System V IPC标准。

信号是其中最轻量、最古老的一种方式。它携带的信息量很小，通常只是一个信号编号，但其响应非常迅速。

3. 信号的深度解析

3.1 信号列表与分类

在Linux系统中，可以使用 kill -l 命令查看所有支持的信号。

$ kill -l1) SIGHUP       2) SIGINT       3) SIGQUIT      4) SIGILL       5) SIGTRAP6) SIGABRT      7) SIGBUS       8) SIGFPE       9) SIGKILL     10) SIGUSR1
11) SIGSEGV     12) SIGUSR2     13) SIGPIPE     14) SIGALRM     15) SIGTERM
...

信号可分为两大类：

• 不可靠信号（1 ~ 31）： 源于UNIX早期版本，也称为非实时信号。它们可能会丢失。如果同一个不可靠信号在短时间内多次产生，进程可能只能接收到一次。因为内核可能使用位图来记录它们的发生，多次相同的信号在处理之前会被合并为一次。

• 可靠信号（34 ~ 64）： 在POSIX.1标准中定义，也称为实时信号。它们支持排队，只要信号发送的速度不超过系统队列的上限，信号就不会丢失。

3.2 信号的产生方式

信号的产生源头多种多样：

1. 用户终端：

   • Ctrl + C -> 产生 SIGINT (Interrupt) 信号，通常用于终止前台进程。

   • Ctrl + \ -> 产生 SIGQUIT (Quit) 信号，不仅终止进程，还会生成core dump文件。

   • Ctrl + Z -> 产生 SIGTSTP (Terminal Stop) 信号，暂停前台进程。

2. 系统命令：

   • kill -SIGNO PID： 向指定PID的进程发送信号。kill -9 1234 是强制杀死进程1234的经典命令。

3. 硬件异常：

   • 进程执行了非法操作，如访问非法内存（段错误） -> 内核会向其发送 SIGSEGV。

   • 执行了错误的算术运算（如除以0） -> 内核会向其发送 SIGFPE。

4. 软件事件：

   • 子进程退出时，内核会向其父进程发送 SIGCHLD。

   • 由 alarm 或 setitimer 设置的定时器超时后，会发送 SIGALRM。

3.3 核心API函数详解

3.3.1 kill() - 发送信号

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>int kill(pid_t pid, int sig);

• 功能： 向指定进程（或进程组）发送一个信号。

• 参数：

  • pid > 0： 目标进程的PID。

  • pid == 0： 发送给与调用进程同进程组的所有进程。

  • pid == -1： 发送给所有有权限发送的进程（除init进程外）。

  • sig： 要发送的信号编号，如 SIGINT, SIGKILL。

• 返回值： 成功返回0，失败返回-1并设置errno。

3.3.2 raise() - 给自己发信号

#include <signal.h>int raise(int sig);

功能： kill(getpid(), sig) 的简化版，向当前进程自身发送信号。

• 参数： sig - 信号编号。

3.3.3 alarm() - 设置闹钟

#include <unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds);

• 功能： 设置一个定时器（闹钟），在 seconds 秒后，内核会向当前进程发送 SIGALRM 信号。该信号的默认动作是终止进程。

• 特点： 重置性。如果一个进程之前调用过 alarm() 且闹钟还未超时，再次调用会重置闹钟，新的 seconds 值会覆盖旧值。

• 返回值： 返回上一次设置的闹钟的剩余秒数，如果之前没有闹钟则返回0。

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {printf("First alarm set for 5 seconds.\n");unsigned int ret = alarm(5); // ret = 0sleep(2); // Sleep for 2 secondsprintf("Resetting alarm for 3 seconds from now.\n");ret = alarm(3); // ret = 5 - 2 = 3 (seconds left from previous alarm)printf("Previous alarm had %u seconds left.\n", ret);sleep(10); // Sleep longer than the alarmprintf("This line will not be printed because SIGALRM terminated the process.\n");return 0;
}

3.3.4 signal() - 信号处理

#include <signal.h>typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

• 功能： 修改进程对特定信号 signum 的处理方式。

• 参数：

  • signum： 要捕获的信号编号。

  • handler：

    • SIG_IGN： 忽略此信号。

    • SIG_DFL： 恢复对此信号的默认处理。

    • 函数指针： 程序员自定义的信号处理函数地址。该函数必须具有 void func(int sig_num) 的格式。

• 返回值： 成功时返回上一次的信号处理函数指针，失败返回 SIG_ERR。

捕获处理示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 自定义信号处理函数
void my_handler(int sig_num) {printf("\nCaught signal %d! I'm not going to die!\n", sig_num);// 注意：在信号处理函数中使用printf等标准IO函数可能是不安全的，这里仅作演示
}int main() {// 捕获SIGINT信号 (Ctrl+C)if (signal(SIGINT, my_handler) == SIG_ERR) {perror("Signal setup failed");return 1;}printf("Process PID: %d. Try pressing Ctrl+C...\n", getpid());while(1) {pause(); // 无限期休眠，等待任何信号到来}return 0;
}

3.4 重要补充知识

3.4.1 waitpid() 与进程退出状态

waitpid 不仅可以等待子进程结束，还能获取其详细的退出信息。

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);
wstatus 是一个输出参数，由内核填充状态信息。需要使用一系列宏来解析：WIFEXITED(wstatus)： 如果子进程正常终止（通过 exit 或 return），则返回真。WEXITSTATUS(wstatus)： 如果 WIFEXITED 为真，此宏提取子进程的退出码（exit 的参数）。WIFSIGNALED(wstatus)： 如果子进程是被信号杀死的，则返回真。WTERMSIG(wstatus)： 如果 WIFSIGNALED 为真，此宏提取导致子进程终止的信号编号。WIFSTOPPED(wstatus) / WSTOPSIG(wstatus)： 用于检查暂停的信号。

示例：

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {// Child process// ... maybe do something that causes a segfaultexit(10);
} else {int wstatus;waitpid(pid, &wstatus, 0);if (WIFEXITED(wstatus)) {printf("Child exited normally with code: %d\n", WEXITSTATUS(wstatus));} else if (WIFSIGNALED(wstatus)) {printf("Child was killed by signal: %d\n", WTERMSIG(wstatus));}
}

3.4.2 atexit() - 注册退出清理函数

#include <stdlib.h>
int atexit(void (*function)(void));

• 功能： 注册一个函数，当进程通过 exit() 函数正常退出时，该注册函数会被自动调用。

• 特点： 可以注册多个函数，它们的执行顺序与注册顺序相反（LIFO，后进先出）。

• 注意： 如果进程是被信号杀死的，这些函数不会被执行。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void cleanup1() { printf("Performing cleanup 1...\n"); }
void cleanup2() { printf("Performing cleanup 2...\n"); }int main() {atexit(cleanup1);atexit(cleanup2); // This will be called firstprintf("Main function is running...\n");// exit(0); // atexit functions will be called// If we use _exit(0) or are killed by a signal, cleanup won't happen.return 0; // return calls exit implicitly
}
// Output:
// Main function is running...
// Performing cleanup 2...
// Performing cleanup 1...

4. 实战任务：音乐播放器控制器

现在，我们综合运用 fork, exec, waitpid, signal 等知识，实现一个简单的后台音乐播放器控制器。

4.1 需求分析

父进程作为控制器，负责：

1. 显示菜单：1:上一首 2:下一首 3:暂停 4:继续 0:退出。

2. 接收用户输入，根据输入向子进程（播放器）发送不同的控制信号。

3. 优雅地处理子进程的退出。

子进程负责：

1. 使用 execlp 调用 mpg123 程序来播放音乐。

2. 根据父进程发来的信号做出反应（播放、暂停、切歌）。

4.2 核心设计思路与流程图

父进程通过 fork + exec 创建子进程来播放音乐。父进程通过信号 (SIGINT, SIGSTOP, SIGCONT 等) 来控制子进程的状态（暂停、继续、终止）。同时，父进程需要捕获 SIGCHLD 信号，以便在子进程意外结束时（比如一首歌放完了）能及时知晓并可能播放下一首。

图表

代码

4.3 代码实现框架

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <glob.h> // For finding music filespid_t player_pid = -1;
int current_song_index = 0;
int song_count = 0;
char **song_list = NULL;// 自定义SIGCHLD处理函数
void child_handler(int sig) {int wstatus;pid_t pid;// 非阻塞地等待所有结束的子进程while ((pid = waitpid(-1, &wstatus, WNOHANG)) > 0) {if (pid == player_pid) {printf("Music player process (PID: %d) ended.\n", player_pid);player_pid = -1;// 如果不是父进程主动杀的（比如歌曲放完了），则播下一首if (WIFEXITED(wstatus) || WIFSIGNALED(wstatus)) {// 简单策略：一首歌放完就播下一首current_song_index = (current_song_index + 1) % song_count;printf("Moving to next song: %d\n", current_song_index);}}}
}// 退出清理函数
void cleanup() {system("stty echo");    // 恢复终端回显printf("\033[?25h");    // 显示光标if (player_pid > 0) {kill(player_pid, SIGKILL); // 确保子进程被杀死}// 释放song_list内存...
}// 启动播放器子进程
void start_player() {if (player_pid > 0) {kill(player_pid, SIGINT); // 先杀死之前的播放进程// wait for it to die... (handled by SIGCHLD)sleep(1);}player_pid = fork();if (player_pid == 0) {// Child process: become the music playerexeclp("mpg123", "mpg123", "-q", song_list[current_song_index], NULL);perror("execlp failed");exit(1);} else if (player_pid < 0) {perror("fork failed");}
}int main() {// 1. 查找音乐文件 (e.g., *.mp3)glob_t glob_result;glob("*.mp3", GLOB_TILDE, NULL, &glob_result);song_count = glob_result.gl_pathc;song_list = glob_result.gl_pathv;if (song_count == 0) {printf("No MP3 files found!\n");exit(1);}// 2. 设置信号处理和清理函数signal(SIGCHLD, child_handler);atexit(cleanup);// 3. 启动第一首歌start_player();// 4. 主控制循环int choice;while (1) {printf("\n1:Prev | 2:Next | 3:Pause | 4:Resume | 0:Exit\n");scanf("%d", &choice);switch (choice) {case 0: // Exitif (player_pid > 0) {kill(player_pid, SIGKILL);}return 0;case 1: // Previouscurrent_song_index = (current_song_index - 1 + song_count) % song_count;start_player();break;case 2: // Nextcurrent_song_index = (current_song_index + 1) % song_count;start_player();break;case 3: // Pauseif (player_pid > 0) kill(player_pid, SIGSTOP);break;case 4: // Resumeif (player_pid > 0) kill(player_pid, SIGCONT);break;default:printf("Invalid choice.\n");}}return 0;
}

编译与运行：

gcc music_player.c -o music_player
./music_player

(确保系统已安装 mpg123：sudo apt-get install mpg123)

5. 注意事项

5.1 信号处理的安全问题

信号处理函数是在异步环境中执行的，这意味着它可能在主程序执行的任何点被调用。因此，在信号处理函数中调用诸如 printf、malloc 等非异步信号安全（async-signal-safe）的函数是不安全的。POSIX.1 标准定义了一个异步信号安全的函数列表，详见 man 7 signal-safety。在信号处理函数中，应尽量只做简单的标志设置，或者使用 write 函数向标准输出写入简单消息。

5.2 更现代的信号处理接口：sigaction

虽然 signal() 函数简单易用，但它在不同Unix版本中的行为可能略有差异（可移植性问题）。更现代、更强大的替代者是 sigaction() 函数，它提供了对信号处理更精确的控制，例如：

• 指定在处理信号时是否自动阻塞其他信号。

• 获取信号被触发时的各种上下文信息。

• 避免信号处理函数执行后被重置为默认行为（某些系统下signal()会有此问题）。

建议在新代码中使用 sigaction。