第六章 信号和信号处理
信号与信号处理概述
在计算机科学中，信号是一种在软件层面通知进程发生了某种事件的机制。它是随时间或空间变化的信息的载体，可以是各种形式的数据，如声音、图像、视频、电压等。信号处理涉及对这些信号进行获取、处理、分析和解释的一系列技术和方法。
1. 信号类型
在信号处理中，信号可以根据不同的特性进行分类：
- 连续信号：在连续时间内定义的信号，如声音波形。
- 离散信号：只在离散时间点上有定义的信号，比如数字音频信号。
- 模拟信号：信号可以取连续范围内任何值。
- 数字信号：信号以离散形式表示，有限个特定数值。
- 周期信号：具有重复模式的信号。
- 非周期信号：没有重复模式的信号。
2. 信号特征
对于信号的描述常常涉及以下特征：
- 幅度：信号的振幅或大小。
- 频率：信号的周期性或变化速度。
- 相位：信号在时间轴上的偏移。
- 能量：信号的能量分布。
- 谱特性：频谱分布、频率成分等。
3. 信号处理
信号处理过程主要包括以下步骤：
- 采样：将连续信号转换为离散信号，通过在时间间隔内获取信号的快照来表示连续信号。
- 量化：将连续的幅度值转换为离散的数字值。
- 编码：将量化后的信号用数字方式表示，如 PCM 编码（脉冲编码调制）等。
- 滤波：通过去除或增强特定频率成分来改变信号的特性。
- 变换：使用变换方法如傅里叶变换来分析信号的频谱特性。
- 压缩：减小信号占用的存储或传输空间。
4. 信号处理方法
在信号处理中，常见的方法包括：
- 时域处理：信号在时间维度上的处理，例如平滑、增强和延迟等。
- 频域处理：通过频谱分析和变换处理信号，如滤波和傅里叶变换。
- 多尺度处理：使用多尺度分析来捕捉信号的不同特征。
- 数字滤波：通过数字算法来增强或减弱信号中的特定频率成分。
- 波形处理：处理和分析波形特征，如波形识别和提取。
Linux中常见的信号
在 Linux 中，有一系列常见的信号，每个信号都有一个唯一的编号。一些常见的信号包括：
- SIGINT(2)：终端中断符信号，用户按中断键(Ctrl+C)，产生此信号，并送至前台进程组的所有进程。
- SIGQUIT(3)：终端退出符信号，用户按退出键(Ctrl+‘\’)，产生此信号，并送至前台进程组的所有进程。
- SIGABRT(6)：异常终止信号，调用 abort 函数，产生此信号。
- SIGFPE(8)：算术异常信号，表示一个算术运算异常，例如除以0、浮点溢出等。
- SIGKILL(9)：终止信号，不能被捕获或忽略，常用于杀死进程等。
问题及解决方式
在涉及 Linux 中的信号处理时，常见问题可能包括：
- 信号丢失：当系统负载过高或繁忙时，可能会错过接收信号。
- 解决方式：使用可靠信号处理机制如
sigaction()，避免阻塞信号处理程序。
- 解决方式：使用可靠信号处理机制如
- 竞争条件：多个信号同时到达时，可能导致不可预测的情况。
- 解决方式：使用原子操作和同步机制确保共享数据完整性，避免不可重入操作和使用标准 I/O。
- 其他：避免在信号处理程序中分配内存，避免嵌套信号等。
确保信号处理程序的简洁性和可靠性是至关重要的。信号处理程序的设计应考虑到可能出现的竞争条件和不确定性，并且尽量保持简单、快速以及不涉及不可靠操作。此外，对于特定的通信需求，可以考虑使用其他机制如管道、消息队列等来代替信号，以确保更可靠的通信。
实践过程
以下是一个简单的示例代码，演示了在 C 语言中注册信号处理函数，并在主循环中等待信号的过程：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
// 定义信号处理函数
void signal_handler(int signal_num) {
printf("接收到信号：%d\n", signal_num);
}
int main() {
// 注册信号处理函数
signal(SIGINT, signal_handler);
// 循环等待信号
while (1) {
sleep(1);
}
return 0;
}
这段代码通过 signal() 函数注册了一个处理 SIGINT 信号的处理函数。在主循环中，程序会不断休眠等待信号的到来。当用户在终端按下 Ctrl+C 时，就会触发 SIGINT 信号，进而调用注册的信号处理函数。
