Linux 信號機制深度解析：signal、sigaction、信號遮罩、重入安全與實戰模式

信號是 Linux 進程間通訊（IPC）最基礎的非同步機制，亦稱「軟中斷」。本文從核心資料結構、signal() vs sigaction()、信號遮罩、SA_RESTART、非同步信號安全函數、多執行緒信號語義等維度，系統解析 Linux 信號機制。

一、信號基礎概念

常見信號速查

SIGHUP(1)   終端機掛斷/重讀配置
SIGINT(2)   Ctrl+C 終止
SIGQUIT(3)  Ctrl+\ 核心轉儲
SIGKILL(9)  強制終止（不可捕捉）
SIGTERM(15) 優雅終止（預設 kill）
SIGCHLD(17) 子進程結束
SIGUSR1(10) 使用者自訂 1
SIGUSR2(12) 使用者自訂 2

二、安裝信號處理函數：signal() vs sigaction()

1. signal() — 簡單但不可移植

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
// 回傳前一個處理函數，失敗回傳 SIG_ERR

• 語法簡單，但行為在 System V、BSD、POSIX 間有差異
• 不支援信號遮罩、旗標控制、取得舊處理器而不安裝新處理器
• 不建議在可移植程式中使用

2. sigaction() — 標準、功能完整、可移植

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

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);           // 傳統處理函數
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void*); // 擴充處理函數（SA_SIGINFO）
    sigset_t sa_mask;                      // 處理期間阻塞的信號集
    int      sa_flags;                     // 行為旗標
    void     (*sa_restorer)(void);         // 過時欄位，勿用
};

關鍵旗標 sa_flags

sigaction() 完整範例

#include 
#include 
#include 

void handler(int sig) {
    printf("Received signal: %s\n", strsignal(sig));
}

int main() {
    struct sigaction act = {0};
    sigemptyset(&act.sa_mask);      // 清空遮罩
    act.sa_handler = handler;
    act.sa_flags = SA_RESTART;      // 系統呼叫自動重啟
    
    if (sigaction(SIGUSR1, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }
    
    while (1) pause();  // 等待信號
    return 0;
}

三、信號遮罩與阻塞控制

// 信號集操作
sigset_t set;
sigemptyset(&set);      // 清空
sigfillset(&set);       // 全部
sigaddset(&set, SIGUSR1);  // 加入
sigdelset(&set, SIGUSR1);  // 移除
sigismember(&set, SIGUSR1); // 檢查

// 進程信號遮罩（阻塞/解除阻塞）
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset);   // 阻塞
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, &oldset); // 解除
sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oldset); // 設定

// 臨時解除阻塞等待信號
sigsuspend(&mask);  // 原子性：解除阻塞 + 等待 + 恢復阻塞

四、非同步信號安全函數

信號處理函數中只能呼叫 async-signal-safe 函數，否則導致未定義行為（死鎖、資料損毀）。

常見安全函數（man 7 signal-safety）

_exit, write, read, open, close, sigaction, sigprocmask,
sigemptyset, sigfillset, sigaddset, sigdelset, sigismember,
kill, raise, alarm, pause, sleep, getpid, getuid, time,
strsignal, psignal（部分配置）

⚠️ 絕對不可呼叫

printf, malloc, free, fopen, fclose, pthread_mutex_lock,
pthread_cond_signal, syslog, getpwnam, inet_ntoa, 
所有非重入函數、使用全域狀態的函數

正確模式：信號處理器只設旗標，主迴圈處理邏輯

volatile sig_atomic_t got_sigusr1 = 0;

void handler(int sig) {
    got_sigusr1 = 1;  // 僅設旗標
}

int main() {
    // 安裝 handler...
    while (1) {
        if (got_sigusr1) {
            got_sigusr1 = 0;
            // 安全執行複雜邏輯：printf、malloc、DB 操作等
            do_complex_work();
        }
        // 其他工作...
    }
}

五、多執行緒與信號

• 信號送達給進程，由核心選擇未阻塞該信號的任一執行緒處理
• 建立執行緒時繼承進程信號遮罩（pthread_sigmask 可單獨設定）
• 典型模式：專用一條執行緒 sigwait() 同步處理信號

// 專用信號處理執行緒
void* signal_thread(void* arg) {
    sigset_t set;
    sigfillset(&set);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 阻塞所有信號
    
    while (1) {
        int sig;
        sigwait(&set, &sig);  // 同步等待
        handle_signal(sig);   // 安全處理
    }
}

int main() {
    sigset_t set;
    sigfillset(&set);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);  // 主執行緒阻塞所有
    
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, signal_thread, NULL);
    // 主執行緒專心業務邏輯
}

六、SA_RESTART 與系統呼叫中斷

七、實戰模式總結

1. 一律使用 sigaction()，設定 SA_RESTART
2. 處理器極簡：僅設 volatile sig_atomic_t 旗標或 write() 到 self-pipe
3. 複雜邏輯在主迴圈 輪詢旗標或 select/poll/epoll 監聽 self-pipe
4. 多執行緒：專用 sigwait() 執行緒，主執行緒阻塞所有信號
5. 啟動時 先 sigfillset + pthread_sigmask(SIG_BLOCK)，再建立執行緒

精通信號機制，是編寫健壯 Linux 系統程式、高效能網路伺服器、容器化應用的核心基本功。

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