Los sistemas operativos compatibles con el estándar POSIX implementan un tipo de interrupción por software conocida como señales POSIX. Estas son enviadas a los procesos para informar de situaciones excepcionales durante la ejecución del programa, como por ejemplo:

SIGSEGV Acceso a una dirección de memoria no válida.
SIGFPE Intento de ejecutar una operación aritmética inválida, como por ejemplo una división por cero.
SIGILL Intento de ejecutar una instrucción ilegal.
SIGCHLD Notificación de terminación de algún proceso hijo. Por defecto también se notifica que un proceso hijo ha sido detenido.
SIGTERM Notificación de que se ha solicitado la terminación del proceso.
SIGINT Notificación de que el proceso está controlado por una terminal y el usuario quiere interrumpirlo. Generalmente esta señal es motivada por la pulsación de la combinación de teclas Ctrl-C en la terminal desde la que se controla el proceso.
SIGHUP Notificación de que se ha cerrado la terminal a través de la que se controla el proceso, por lo que dicho proceso debe terminar. Al recibir esta señal muchos procesos no interactivos —como servicios o demonios— releen los archivos de configuración y reabren los de registro, sin tener que matar y volver a iniciar el proceso.

Estos son una pequeña muestra de una lista mucho más extensa.

Manejadores de señal

Para cada tipo de señal el proceso puede especificar una acción diferente:

SIG_DFL Ejecutar la acción por defecto, lo que generalmente implica terminar el proceso inmediatamente.
SIG_IGN Ignorar la señal, lo que no es posible para todos los tipos de señales.
Invocar un manejador de señal Invocar una función concreta del programa que actúa como manejador de la señal para realizar las acciones que el programador considere oportunas.

Esto último es interesante porque, por ejemplo, permite realizar las acciones necesarias para que el programa termine en condiciones seguras cuando reciba señales como SIGINT o SIGTERM. Por ejemplo: borrar archivos temporales, asegurar que los datos se escriben en disco y la estructura de su contenido es consistente, terminar procesos hijo a los que se les haya delegado parte del trabajo, cerrar canales de comunicación, detener hilos de ejecución, etc.

Para fijar el manejador de una señal concreta, simplemente hay usar la función de la librería estándar std::signal()—o alternativamente la llamada al sistema signal()— de la siguiente manera:

#include <csignal>

void signalHandler(int signum)
{
    std::cout << "Señal (" << signum << ") recibida.\n";
    // Terminar el programa
    exit(signum);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    // ...

    // Configurar el manejador de la señal SIGINT
    std::signal(SIGINT, signalHandler);
    // Configurar el manejador de la señal SIGTERM
    std::signal(SIGTERM, signalHandler);

    // ...
}

Sin embargo, debemos de tener en cuenta que algunos aspectos de std::signal() y de signal() no están estandarizados. Es decir, son específicos de cada implementación, por lo que pueden comportarse de manera diferente en distintos sistemas operativos. Por eso el estándar POSIX introdujo la función alternativa sigaction(), que ofrece un control mucho más explícito sobre el comportamiento esperado —como veremos más adelante— para que en todos los sistemas operativos el manejo de señales funcione igual.

Seguridad respecto a las señales

Al trabajar con señales POSIX debemos tener presente que éstas pueden llegar en cualquier momento, interrumpiendo así la secuencia normal de ejecución de instrucciones del proceso. Es decir, los manejadores de señal son invocados de forma asíncrona respecto a la ejecución del proceso, lo que introduce problemas de concurrencia debido al posible acceso del manejador a datos que estaban siendo manipulados por el programa en el momento en que fue interrumpido. Por ello:

El estándar POSIX establece que desde un manejador de señal sólo se pueden invocar funciones seguras respecto a la asincronicidad de las señales. Estas funciones son aquellas que o son reentrantes o no interrumpibles respecto a las señales. Pero hay que tener mucho cuidado porque sólo unas pocas funciones de la librería del sistema cumplen con dicho requisito. De hecho, el estándar de C++ establece que el comportamiento está indefinido si dentro de un manejador de señal se llama a cualquier función de la librería estándar del lenguaje, excepto std::abort, std::_Exit, std::quick_exit o std::signal —en este último caso siempre que el primer argumento no sea el número de la señal que actualmente está siendo manejada—.
En programas multihilo cualquier hilo en el que no se haya bloqueado una señal puede ser utilizado para atenderla. Esto introduce problemas adicionales de concurrencia que obligan al uso de cerrojos, semáforos y otros elementos de sincronización. Por eso es muy común bloquear las señales en todos los hilos excepto en uno, que de esta manera podrá ser el único interrumpido para manejarlas.
Incluso si se usan variables como banderas para notificar desde el manejador al programa principal que ha ocurrido una señal, con el objeto de que éste último ejecute las acciones necesarias, debemos especificar al compilador que no utilice con ellas variables optimizaciones que puedan dar problemas de concurrencia:
- El tipo volatile std::sig_atomic_t para definir variables atómicas cumple con esos requisitos. La palabra reservada de C volatile permite indicarle al compilador que no optimice el acceso a una variable porque su valor puede cambiar de improviso. Mientras que sig_atomic_t es un tipo de entero que está garantizado que puede ser accedido como una entidad atómica —sin interrupciones— incluso en presencia de señales.
- En C++11 o posterior la plantilla std::atomic también permite definir variables atómicas.

Por lo tanto, la siguiente podría ser una forma correcta de terminar un proceso cuando llegan señales tales como SIGINT o SIGTERM:

#include <atomic>

std::atomic<bool> waitingForQuit(false);

void signalHandler(int signum)
{
    // Indicar al programa principal que debe terminar
    waitingForQuit = true;
}

int main(int argv, char* argv[])
{
    // ...

    // Configurar los manejadores de señal
    std::signal(SIGINT, signalHandler);
    std::signal(SIGTERM, signalHandler);

    // ...

    while (true) {

        // ...

        if (waitingForQuit) {
            // Realizar las acciones necesarias para terminar el proceso
            // en condiciones seguras.
            // ...

            std::exit(0);
        }
    }
}

Funciones reentrantes y no interrumpibles.

Como hemos comentado, un manejador de señal sólo se pueden invocar funciones seguras respecto a la asincronicidad de las señales. Y esto sólo ocurren con aquellas que o son reentrantes o no son interrumpibles respecto a las señales.

Una función es reentrante si puede ser interrumpida en medio de su ejecución y vuelta a llamar con total seguridad. En general, una función es reentrante si no modifica variables estáticas o globales, no modifica su propio código y no llama a otras funciones que no sean reentrantes.

Mientras que una función puede ser no interrumpible respecto a las señales, si al entrar en la función lo primero que hace el código es bloquea dichas señales, desbloqueándolas antes de salir.

Bloqueo de señales

A veces no interesa manejar todas las señales que puede recibir un proceso o puede ser interesante bloquearlas en instantes concretos de la ejecución del mismo. Por eso el sistema nos proporciona funciones para hacerlo.

A la colección de señales actualmente bloqueadas se las denomina máscara de señales y se hereda de padres a hijos durante la creación de los procesos. Posteriormente, durante la ejecución de un programa, esta máscara de señales se puede modificar utilizando las llamadas al sistema sigprocmask() o pthread_sigmask().

int sigprocmask (int how,
                 const sigset_t *restrict set,
                 sigset_t *restrict oldset)

int pthread_sigmask(int how,
                    const sigset_t *set,
                    sigset_t *oldset);

Es importante notar que ambas llamadas operan de la misma manera, sin embargo sigprocmask() sólo debe usarse en programas monohilo para modificar la máscara de señales del proceso. En los programas multihilo cada hilo tiene su propia máscara de señales, por lo que debe utilizarse pthread_sigmask() si deseamos modificarla. Según el estándar POSIX, el efecto de usar sigprocmask() en procesos multihilo no está especificado.

Ambas funciones están diseñadas tanto para examinar como para cambiar la máscara de señales:

oldset Se utiliza para devolver la máscara de señales previa. Si se desea examinar la máscara de señales actual sin modificarla, sólo es necesario pasar un puntero a NULL en set. De igual forma, si sólo se desea modificar la máscara de señales sin recuperar la máscara previa, basta con pasar oldset a NULL.
set Se utiliza para indicar la nueva máscara de señales. Cómo se interprete este argumento para construir dicha nueva máscara depende del argumento how.
how Determina como cambiará la máscara de señales actual.

Los valores posibles para how son:

SIG_BLOCK Añade las señales indicadas en set a la máscara actual para bloquearlas también.
SIG_UNBLOCK Elimina las señales indicadas en set de la máscara actual para desbloquearlas.
SIG_SETMASK Usar el contenido de set como máscara de señales actual, ignorando así el valor previo de dicha máscara.

Tanto los argumentos set como oldset son de tipo sigset_t, que es con el que se representan los conjuntos de señales. Por portabilidad estos conjuntos no deben manipularse directamente sino a través de las siguientes funciones:

int sigemptyset(sigset_t *set) Inicializa set sin ninguna señal.
int sigefillset(sigset_t *set) Inicializa set para que incluya todas las señales.
int sigeaddset(sigset_t *set, int signum) Añade la señal signum al conjunto de señales set.
int sigedelset(sigset_t *set, int signum) Elimina la señal signum del conjunto de señales set.
int sigismember (const sigset_t *set, int signum) Devuelve 1 si la señal signum está incluida en el conjunto set. Mientras que retorna 0 en caso contrario.

Manejo avanzado de señales

En el apartado sobre manejadores de señal vimos como podemos especificar un manejador para cada señal usando la función de la librería estándar std::signal() o la llamada al sistema signal()(). Sin embargo esta no es la forma recomendada de hacerlo. En su lugar, por motivos de portabilidad, se recomienda usar sigaction()().

int sigaction (int signum,
               const struct sigaction *act,
               struct sigaction *restrict oldact)

donde:

signum Señal para la que se va a modificar la acción.
act Puntero a una estructura sigaction que describe la nueva acción para la señal signum. Si este puntero es NULL, no se modificará la acción actual y su descripción podrá recuperarse a través de oldact.
oldact Puntero a una estructura sigaction que será rellenada con la antigua acción para la señal signum. Si este puntero es NULL, no se recuperará el valor previo de la acción para dicha señal.

Estructura sigaction

De la estructura sigaction, que describe la acción para una señal, los campos más relevantes son:

sa_handler Describe el manejador de la señal. Igual que ocurre con signal(), este campo puede valer SIG_DFL, SIG_IGN o un puntero a una función.
sa_mask Es un campo de tipo sigset_t que describe el conjunto de señales que serán bloqueadas mientras el manejador indicado en sa_handler es ejecutado. Además de estas señales, también se bloqueará automáticamente la misma señal que provocó la ejecución del manejador.
sa_flags Especifica varios flags, combinados mediante operador OR, que puede afectar a como se maneja la señal.

Entre los valores posibles para sa_flags los más comunes son:

SA_NOCLDSTOP Este flag sólo tiene sentido si se usa con la señal SIGCHLD y sirve para indicar que dicha señal sólo debe enviarse al padre de un proceso cuando uno de sus hijos termina, no cuando es detenido. Por defecto la señal SIGCHLD se envía al padre en ambos casos.
SA_RESTART Este flag controla qué ocurre cuando la señal llega mientras el proceso o el hilo están dentro de ciertas llamadas al sistema —como open(), read() o write()—. Si no se especifica SA_RESTART, dichas operaciones serán interrumpidas cuando termine el manejador de la señal, retornando con el código de error EINTR. Por el contrario, si se especifica SA_RESTART, la llamada afectada continuará tras ejecutarse el manejador de la señal que la interrumpió.

Referencias

Unix signal — Wikipedia.
Signal Handling — The GNU C Library.

Jesús Torres