学习笔记9

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。
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。