面试题：C语言Linux信号处理函数与系统底层交互的错误处理

潜在错误原理

文件描述符状态变化：
- 在调用 exec 系列函数时，进程会替换为新的程序映像。默认情况下，大部分文件描述符会保持打开状态，但有些情况可能并非如此。例如，如果在信号处理函数中调用 exec，原进程中打开的文件描述符在新进程中的行为可能不符合预期。比如，可能会出现文件描述符泄露，导致资源浪费，或者在新进程中错误地使用了原进程中打开但不应该继续使用的文件描述符，引发数据错误或安全问题。
- 另外，一些文件描述符相关的标志（如 O_APPEND 等）在 exec 后可能有不同的表现。如果原进程依赖于特定的文件描述符标志来进行数据操作，在 exec 后这些标志的改变可能导致数据写入或读取方式的错误。
进程上下文切换：
- 信号处理函数是在进程的上下文中执行的。当在信号处理函数中调用 exec 时，进程的整个上下文会发生巨大变化。原进程的栈、堆、寄存器等状态会被新程序的映像所替代。这可能导致一些未处理好的局部变量、函数调用栈等状态混乱。例如，如果在信号处理函数中有局部变量正在进行复杂的计算，调用 exec 后这些局部变量的状态将变得无意义，可能导致新进程启动后出现逻辑错误。
- 而且，信号处理函数本身的执行环境也可能因为 exec 而受到影响。比如，信号掩码在 exec 后可能会发生变化，如果没有正确处理，可能会导致信号处理逻辑混乱，新进程可能无法正确接收或处理预期的信号。

代码处理方式

文件描述符处理：
- 在调用 exec 之前，显式关闭不需要在新进程中使用的文件描述符。可以使用 close 系统调用。例如：

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

void signal_handler(int signum) {
    // 关闭不需要的文件描述符
    close(STDOUT_FILENO);
    close(STDIN_FILENO);
    close(STDERR_FILENO);

    // 调用 exec 系列函数
    char *const argv[] = {"ls", "-l", NULL};
    execvp("ls", argv);
    perror("execvp");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

int main() {
    // 注册信号处理函数
    if (signal(SIGINT, signal_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    while (1) {
        // 主程序循环
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

对于需要在新进程中使用的文件描述符，可以使用 fcntl 函数设置 FD_CLOEXEC 标志，这样在 exec 时该文件描述符会自动关闭。例如：

int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
    perror("open");
    return EXIT_FAILURE;
}
int flags = fcntl(fd, F_GETFD);
if (flags == -1) {
    perror("fcntl F_GETFD");
    close(fd);
    return EXIT_FAILURE;
}
flags |= FD_CLOEXEC;
if (fcntl(fd, F_SETFD, flags) == -1) {
    perror("fcntl F_SETFD");
    close(fd);
    return EXIT_FAILURE;
}

进程上下文切换处理：
- 尽量简化信号处理函数中的操作，避免在信号处理函数中进行复杂的计算或依赖局部变量的操作。在信号处理函数中，只进行必要的准备工作，如关闭文件描述符等，然后尽快调用 exec。
- 处理信号掩码问题。在调用 exec 之前，可以使用 sigprocmask 函数来设置合适的信号掩码，确保新进程能够正确处理信号。例如：

sigset_t new_mask, old_mask;
sigemptyset(&new_mask);
sigaddset(&new_mask, SIGINT);
if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask, &old_mask) == -1) {
    perror("sigprocmask");
    return EXIT_FAILURE;
}
// 调用 exec 系列函数
// 之后如果需要恢复原信号掩码
if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_mask, NULL) == -1) {
    perror("sigprocmask restore");
    return EXIT_FAILURE;
}

通过以上方式，可以在一定程度上避免在信号处理函数中调用 exec 系列函数时出现的文件描述符和进程上下文相关的错误，确保程序在复杂场景下的稳定性和正确性。

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