Python高级技术之：`Python`的`signal`模块：如何优雅地处理系统信号。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位朋友们，晚上好！很高兴能和大家聊聊Python里的一个“小而美”的模块——signal。别看它名字平平无奇，但它可是个能让你优雅地掌控程序生死的幕后英雄！今天，咱们就来深入浅出地扒一扒signal模块，看看它到底能干些啥，以及怎么用它来让你的Python程序更健壮。

一、什么是系统信号？别慌，不是手机信号！

首先，我们得搞清楚什么是系统信号。简单来说，系统信号（Signals）就是操作系统用来通知运行中的进程发生了某些事件的一种机制。这些事件可能是用户按下了 Ctrl+C 想要中断程序，也可能是程序遇到了除零错误，或者系统资源不足等等。

你可以把信号想象成操作系统给你的程序发来的“消息”，告诉它：“嘿，兄弟，出事儿了，你看着办！”。收到消息后，你的程序可以选择忽略它（就像没听到一样），也可以按照预先设定的方式去处理它（比如优雅地退出，或者尝试恢复）。

常见的信号有很多，比如：

信号名	数字	含义	默认行为
SIGHUP	1	终端断线	终止进程
SIGINT	2	用户发送 `Ctrl+C` 中断信号	终止进程
SIGQUIT	3	用户发送 `Ctrl+` 退出信号	终止进程，生成 core 文件
SIGILL	4	非法指令	终止进程，生成 core 文件
SIGTRAP	5	调试陷阱	终止进程，生成 core 文件
SIGABRT	6	`abort()` 函数调用终止进程	终止进程，生成 core 文件
SIGBUS	7	总线错误 (内存访问错误)	终止进程，生成 core 文件
SIGFPE	8	浮点异常 (除零，溢出等)	终止进程，生成 core 文件
SIGKILL	9	强制终止进程 (不能被忽略或捕获)	终止进程
SIGUSR1	10	用户自定义信号 1	终止进程
SIGSEGV	11	无效内存访问 (段错误)	终止进程，生成 core 文件
SIGUSR2	12	用户自定义信号 2	终止进程
SIGPIPE	13	向没有读取者的管道写入数据	终止进程
SIGALRM	14	`alarm()` 函数设置的定时器到期	终止进程
SIGTERM	15	正常终止信号 (`kill` 命令默认发送的信号)	终止进程
SIGCHLD	17	子进程状态改变	忽略信号
SIGCONT	18	继续执行暂停的进程	继续执行进程
SIGSTOP	19	暂停进程 (不能被忽略或捕获)	暂停进程
SIGTSTP	20	用户发送 `Ctrl+Z` 暂停信号	暂停进程
SIGTTIN	21	后台进程尝试从终端读取数据	暂停进程
SIGTTOU	22	后台进程尝试向终端写入数据	暂停进程
SIGURG	23	socket 有紧急数据到达	忽略信号
SIGXCPU	24	CPU 时间超过限制	终止进程，生成 core 文件
SIGXFSZ	25	文件大小超过限制	终止进程，生成 core 文件
SIGVTALRM	26	虚拟定时器到期	终止进程
SIGPROF	27	性能分析定时器到期	终止进程
SIGWINCH	28	终端窗口大小改变	忽略信号
SIGIO/SIGPOLL	29	I/O 可用/pollable 事件	终止进程
SIGPWR	30	电源故障	终止进程
SIGSYS	31	无效系统调用	终止进程，生成 core 文件

二、 signal 模块：你的信号掌控者

signal 模块是 Python 提供的用于处理系统信号的标准库。通过它，你可以：

注册信号处理函数（Signal Handlers）: 当特定信号发生时，执行你指定的函数。
忽略信号: 让程序对某些信号视而不见，听而不闻。
恢复默认行为: 取消自定义的处理函数，恢复系统默认的处理方式。

三、 signal 模块的基本用法

现在，咱们来撸起袖子，写点代码，看看signal模块是怎么用的。

1. 注册信号处理函数： signal.signal(signalnum, handler)

这个函数是signal模块的核心。它接受两个参数：

signalnum: 要处理的信号的编号（比如 signal.SIGINT 表示 Ctrl+C 信号）。
handler: 一个可调用对象（函数），当收到指定信号时，这个函数会被执行。

举个例子，我们来写一个程序，当用户按下 Ctrl+C 的时候，打印一条友好的消息，而不是直接退出：

import signal
import time

def signal_handler(sig, frame):
    print('n您按下了 Ctrl+C! 请不要这样粗鲁！')
    # 可以做一些清理工作，比如保存数据
    # ...
    # 或者优雅地退出
    # exit(0)  # 取消注释可以强制退出

# 注册 SIGINT 信号的处理函数
signal.signal(signal.SIGINT, signal_handler)

print('程序正在运行，按下 Ctrl+C 试试...')
while True:
    time.sleep(1)

运行这段代码，你会发现，当你按下 Ctrl+C 的时候，程序不会直接退出，而是会打印出我们定义的“友好的”消息。

注意事项：

信号处理函数必须接受两个参数：sig (信号编号) 和 frame (栈帧对象，通常不用)。
在信号处理函数中，尽量避免执行复杂的、耗时的操作，因为这可能会导致程序出现不可预测的行为。简单的输出和状态设置比较安全。
如果你的程序使用了多线程，信号处理函数的行为可能会比较复杂。通常，信号会被传递给主线程。

2. 忽略信号： signal.signal(signalnum, signal.SIG_IGN)

有时候，我们希望程序对某些信号完全忽略，就像没发生一样。比如，我们可能希望程序在后台运行的时候，忽略 Ctrl+C 信号。

import signal
import time

# 忽略 SIGINT 信号
signal.signal(signal.SIGINT, signal.SIG_IGN)

print('程序正在后台运行，忽略 Ctrl+C...')
while True:
    time.sleep(1)

运行这段代码，你会发现，即使你按下 Ctrl+C，程序也不会有任何反应。

3. 恢复默认行为： signal.signal(signalnum, signal.SIG_DFL)

如果你想取消自定义的处理函数，恢复系统默认的处理方式，可以使用 signal.SIG_DFL。

import signal
import time

def signal_handler(sig, frame):
    print('n您按下了 Ctrl+C!')

# 注册 SIGINT 信号的处理函数
signal.signal(signal.SIGINT, signal_handler)

print('程序正在运行，按下 Ctrl+C 试试...')
time.sleep(5)

# 恢复 SIGINT 信号的默认行为
signal.signal(signal.SIGINT, signal.SIG_DFL)

print('现在按下 Ctrl+C，程序会直接退出了...')
while True:
    time.sleep(1)

运行这段代码，你会发现，在恢复默认行为之后，按下 Ctrl+C，程序会直接退出。

四、进阶用法：signal.alarm() 和 signal.setitimer()

除了基本的信号处理，signal 模块还提供了一些高级功能，比如定时器。

1. signal.alarm(seconds)：设置一个闹钟

signal.alarm() 函数可以在指定的秒数后向进程发送一个 SIGALRM 信号。这可以用来实现一些超时机制。

import signal
import time

def timeout_handler(sig, frame):
    raise TimeoutError('操作超时!')

# 注册 SIGALRM 信号的处理函数
signal.signal(signal.SIGALRM, timeout_handler)

def long_running_task():
    print('开始执行耗时任务...')
    time.sleep(10)  # 模拟耗时操作
    print('任务执行完毕!')

try:
    # 设置 5 秒的闹钟
    signal.alarm(5)
    long_running_task()
    # 取消闹钟，防止任务提前完成时触发信号
    signal.alarm(0)
except TimeoutError as e:
    print(e)

在这个例子中，我们设置了一个 5 秒的闹钟。如果 long_running_task() 函数在 5 秒内没有完成，就会收到一个 SIGALRM 信号，触发 timeout_handler() 函数，抛出一个 TimeoutError 异常。

注意事项：

signal.alarm() 函数只能设置一个定时器。如果你多次调用 signal.alarm()，只有最后一个设置的定时器会生效。
signal.alarm() 函数的精度比较低，通常只能精确到秒级别。

2. signal.setitimer(which, seconds, interval=0.0)：更强大的定时器

signal.setitimer() 函数提供了更强大的定时器功能。它可以设置三种类型的定时器：

signal.ITIMER_REAL: 真实时间定时器，按照真实的时间流逝来计时。
signal.ITIMER_VIRTUAL: 虚拟时间定时器，只在进程执行用户代码时计时。
signal.ITIMER_PROF: 性能分析定时器，同时统计用户代码和内核代码的执行时间。

signal.setitimer() 函数接受三个参数：

which: 定时器的类型（signal.ITIMER_REAL，signal.ITIMER_VIRTUAL 或 signal.ITIMER_PROF）。
seconds: 第一次触发定时器的时间（秒）。
interval: 后续每次触发定时器的间隔时间（秒）。如果 interval 为 0，则定时器只触发一次。

import signal
import time

def timer_handler(sig, frame):
    print('定时器触发!')

# 注册 SIGALRM 信号的处理函数
signal.signal(signal.SIGALRM, timer_handler)

# 设置一个真实时间定时器，3 秒后第一次触发，之后每隔 2 秒触发一次
signal.setitimer(signal.ITIMER_REAL, 3, 2)

print('程序正在运行，等待定时器触发...')
try:
    while True:
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    print('n程序退出!')

运行这段代码，你会发现，程序在 3 秒后会打印一次 "定时器触发!"，之后每隔 2 秒会再次打印。

注意事项：

signal.setitimer() 函数比 signal.alarm() 更加灵活，可以设置不同类型的定时器，并且可以设置重复触发。
signal.setitimer() 函数的精度也比 signal.alarm() 更高，可以精确到毫秒级别。

五、实际应用场景

signal 模块在实际开发中有很多应用场景，比如：

超时控制: 可以使用 signal.alarm() 或 signal.setitimer() 来设置超时时间，防止程序长时间阻塞。
优雅退出: 可以使用 signal.signal() 来捕获 SIGINT 和 SIGTERM 信号，在程序退出之前做一些清理工作，比如保存数据、关闭文件等。
进程间通信: 可以使用用户自定义信号 (SIGUSR1 和 SIGUSR2) 来在不同的进程之间传递消息。
性能分析: 可以使用 signal.ITIMER_PROF 定时器来统计程序的性能数据。

六、总结

signal 模块是 Python 中一个非常实用的工具，它可以让你更好地控制程序的行为，让你的程序更加健壮和可靠。掌握signal模块的使用，能让你在处理一些特殊情况时更加得心应手，写出更加高质量的Python代码。

希望今天的分享对大家有所帮助！谢谢大家！

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