1. 引言：從"中斷"到"信號"

想象一下，你正在書房專心致志地寫代碼，這時廚房的水燒開了，鳴笛聲大作。你會怎么做？你會暫停（Interrupt）?手頭的工作，跑去廚房關掉燒水壺，然后再回來繼續 coding。

在Linux系統中，信號（Signal）?就是一種類似的異步中斷機制。它允許一個進程（或內核）向另一個進程發送一個簡單的消息，通知其某個特定事件的發生。接收信號的進程通常會暫停當前正在執行的指令流，轉而去執行一個特殊的信號處理函數，處理完畢后（如果沒退出）再回來繼續執行。這就是信號最基本的概念。

本文將深入探討信號的產生、處理以及如何利用它來構建一個簡單的音樂播放器控制器。

2. 進程間通信（IPC）與信號概述

進程是操作系統資源分配和獨立運行的基本單位。每個進程都擁有自己獨立的地址空間，一個進程無法直接訪問另一個進程的數據。因此，進程之間需要一種機制來進行通信（Communication）?與同步（Synchronization），這就是進程間通信（IPC, Inter-Process Communication）。

常見的IPC方式包括：

• 信號（Signal）： 本文焦點，一種異步的、簡單的通知機制。

• 管道（Pipe）?/?命名管道（FIFO）： 單向或雙向的字節流通信。

• 套接字（Socket）： 功能最強大，可用于網絡通信和不同主機間的進程通信。

• IPC對象： 包括共享內存、信號量集、消息隊列，源自System V IPC標準。

信號是其中最輕量、最古老的一種方式。它攜帶的信息量很小，通常只是一個信號編號，但其響應非常迅速。

3. 信號的深度解析

3.1 信號列表與分類

在Linux系統中，可以使用?kill -l?命令查看所有支持的信號。

$ 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
...

信號可分為兩大類：

• 不可靠信號（1 ~ 31）： 源于UNIX早期版本，也稱為非實時信號。它們可能會丟失。如果同一個不可靠信號在短時間內多次產生，進程可能只能接收到一次。因為內核可能使用位圖來記錄它們的發生，多次相同的信號在處理之前會被合并為一次。

• 可靠信號（34 ~ 64）： 在POSIX.1標準中定義，也稱為實時信號。它們支持排隊，只要信號發送的速度不超過系統隊列的上限，信號就不會丟失。

3.2 信號的產生方式

信號的產生源頭多種多樣：

1. 用戶終端：

   • Ctrl + C?-> 產生?SIGINT?(Interrupt) 信號，通常用于終止前臺進程。

   • Ctrl + \?-> 產生?SIGQUIT?(Quit) 信號，不僅終止進程，還會生成core dump文件。

   • Ctrl + Z?-> 產生?SIGTSTP?(Terminal Stop) 信號，暫停前臺進程。

2. 系統命令：

   • kill -SIGNO PID： 向指定PID的進程發送信號。kill -9 1234?是強制殺死進程1234的經典命令。

3. 硬件異常：

   • 進程執行了非法操作，如訪問非法內存（段錯誤） -> 內核會向其發送?SIGSEGV。

   • 執行了錯誤的算術運算（如除以0） -> 內核會向其發送?SIGFPE。

4. 軟件事件：

   • 子進程退出時，內核會向其父進程發送?SIGCHLD。

   • 由?alarm?或?setitimer?設置的定時器超時后，會發送?SIGALRM。

3.3 核心API函數詳解

3.3.1?kill()?- 發送信號

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

• 功能： 向指定進程（或進程組）發送一個信號。

• 參數：

  • pid?> 0： 目標進程的PID。

  • pid?== 0： 發送給與調用進程同進程組的所有進程。

  • pid?== -1： 發送給所有有權限發送的進程（除init進程外）。

  • sig： 要發送的信號編號，如?SIGINT,?SIGKILL。

• 返回值： 成功返回0，失敗返回-1并設置errno。

3.3.2?raise()?- 給自己發信號

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

功能：?kill(getpid(), sig)?的簡化版，向當前進程自身發送信號。

• 參數：?sig?- 信號編號。

3.3.3?alarm()?- 設置鬧鐘

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

• 功能： 設置一個定時器（鬧鐘），在?seconds?秒后，內核會向當前進程發送?SIGALRM?信號。該信號的默認動作是終止進程。

• 特點：?重置性。如果一個進程之前調用過?alarm()?且鬧鐘還未超時，再次調用會重置鬧鐘，新的?seconds?值會覆蓋舊值。

• 返回值： 返回上一次設置的鬧鐘的剩余秒數，如果之前沒有鬧鐘則返回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()?- 信號處理

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

• 功能： 修改進程對特定信號?signum?的處理方式。

• 參數：

  • signum： 要捕獲的信號編號。

  • handler：

    • SIG_IGN： 忽略此信號。

    • SIG_DFL： 恢復對此信號的默認處理。

    • 函數指針： 程序員自定義的信號處理函數地址。該函數必須具有?void func(int sig_num)?的格式。

• 返回值： 成功時返回上一次的信號處理函數指針，失敗返回?SIG_ERR。

捕獲處理示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>// 自定義信號處理函數
void my_handler(int sig_num) {printf("\nCaught signal %d! I'm not going to die!\n", sig_num);// 注意：在信號處理函數中使用printf等標準IO函數可能是不安全的，這里僅作演示
}int main() {// 捕獲SIGINT信號 (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(); // 無限期休眠，等待任何信號到來}return 0;
}

3.4 重要補充知識

3.4.1?waitpid()?與進程退出狀態

waitpid?不僅可以等待子進程結束，還能獲取其詳細的退出信息。

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);
wstatus?是一個輸出參數，由內核填充狀態信息。需要使用一系列宏來解析：WIFEXITED(wstatus)： 如果子進程正常終止（通過?exit?或?return），則返回真。WEXITSTATUS(wstatus)： 如果?WIFEXITED?為真，此宏提取子進程的退出碼（exit?的參數）。WIFSIGNALED(wstatus)： 如果子進程是被信號殺死的，則返回真。WTERMSIG(wstatus)： 如果?WIFSIGNALED?為真，此宏提取導致子進程終止的信號編號。WIFSTOPPED(wstatus)?/?WSTOPSIG(wstatus)： 用于檢查暫停的信號。

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()?- 注冊退出清理函數

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

• 功能： 注冊一個函數，當進程通過?exit()?函數正常退出時，該注冊函數會被自動調用。

• 特點： 可以注冊多個函數，它們的執行順序與注冊順序相反（LIFO，后進先出）。

• 注意： 如果進程是被信號殺死的，這些函數不會被執行。

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. 實戰任務：音樂播放器控制器

現在，我們綜合運用?fork,?exec,?waitpid,?signal?等知識，實現一個簡單的后臺音樂播放器控制器。

4.1 需求分析

父進程作為控制器，負責：

1. 顯示菜單：1:上一首 2:下一首 3:暫停 4:繼續 0:退出。

2. 接收用戶輸入，根據輸入向子進程（播放器）發送不同的控制信號。

3. 優雅地處理子進程的退出。

子進程負責：

1. 使用?execlp?調用?mpg123?程序來播放音樂。

2. 根據父進程發來的信號做出反應（播放、暫停、切歌）。

4.2 核心設計思路與流程圖

父進程通過?fork?+?exec?創建子進程來播放音樂。父進程通過信號 (SIGINT,?SIGSTOP,?SIGCONT?等) 來控制子進程的狀態（暫停、繼續、終止）。同時，父進程需要捕獲?SIGCHLD?信號，以便在子進程意外結束時（比如一首歌放完了）能及時知曉并可能播放下一首。

圖表

代碼

4.3 代碼實現框架

#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;// 自定義SIGCHLD處理函數
void child_handler(int sig) {int wstatus;pid_t pid;// 非阻塞地等待所有結束的子進程while ((pid = waitpid(-1, &wstatus, WNOHANG)) > 0) {if (pid == player_pid) {printf("Music player process (PID: %d) ended.\n", player_pid);player_pid = -1;// 如果不是父進程主動殺的（比如歌曲放完了），則播下一首if (WIFEXITED(wstatus) || WIFSIGNALED(wstatus)) {// 簡單策略：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);}}}
}// 退出清理函數
void cleanup() {system("stty echo");    // 恢復終端回顯printf("\033[?25h");    // 顯示光標if (player_pid > 0) {kill(player_pid, SIGKILL); // 確保子進程被殺死}// 釋放song_list內存...
}// 啟動播放器子進程
void start_player() {if (player_pid > 0) {kill(player_pid, SIGINT); // 先殺死之前的播放進程// 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. 查找音樂文件 (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. 設置信號處理和清理函數signal(SIGCHLD, child_handler);atexit(cleanup);// 3. 啟動第一首歌start_player();// 4. 主控制循環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;
}

編譯與運行：

gcc music_player.c -o music_player
./music_player

(確保系統已安裝?mpg123：sudo apt-get install mpg123)

5. 注意事項

5.1 信號處理的安全問題

信號處理函數是在異步環境中執行的，這意味著它可能在主程序執行的任何點被調用。因此，在信號處理函數中調用諸如?printf、malloc?等非異步信號安全（async-signal-safe）的函數是不安全的。POSIX.1 標準定義了一個異步信號安全的函數列表，詳見?man 7 signal-safety。在信號處理函數中，應盡量只做簡單的標志設置，或者使用?write?函數向標準輸出寫入簡單消息。

5.2 更現代的信號處理接口：sigaction

雖然?signal()?函數簡單易用，但它在不同Unix版本中的行為可能略有差異（可移植性問題）。更現代、更強大的替代者是?sigaction()?函數，它提供了對信號處理更精確的控制，例如：

• 指定在處理信號時是否自動阻塞其他信號。

• 獲取信號被觸發時的各種上下文信息。

• 避免信號處理函數執行后被重置為默認行為（某些系統下signal()會有此問題）。

建議在新代碼中使用?sigaction。