Linux 信號機制深度解析：類型、發送、處理、可靠性與實時擴展

信號是 Linux 進程間通訊 (IPC) 中唯一的非同步通知機制。本文系統解析信號本質、分類 (可靠/不可靠、實時/非實時)、發送與安裝 API、進程響應流程、信號集操作、核心處理路徑與實時擴展細節。

一、信號本質與來源

• 本質： 軟體層面對硬體中斷的模擬，非同步事件通知
• 異步性： 進程無需等待、無法預知到達時刻
• 兩大來源：
  • 硬體：鍵盤中斷 (SIGINT)、除零錯誤 (SIGFPE)、非法記憶體存取 (SIGSEGV)
  • 軟體：kill()、raise()、alarm()、setitimer()、sigqueue()、Shell 作業控制

二、信號分類體系

2.1 依可靠性分類

關鍵澄清： 可靠性僅由信號值決定，與安裝函數 (signal()/sigaction()) 或發送函數 (kill()/sigqueue()) 無關。現代 Linux signal() 內部實現基於 sigaction()，不可靠信號也不再重置處理器。

2.2 依實時性分類

• 非實時信號 (標準信號)： 1-31，固定用途、預設動作、不排隊
• 實時信號： 32-64，用戶自定義、支援排隊、可攜帶資料 (sigval)

兩種分類維度完全對應：非實時 = 不可靠，實時 = 可靠。

三、進程對信號的三種響應

四、信號安裝 API 對比

sigaction 結構體：

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);           // 普通處理器
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); // 擴展處理器
    sigset_t   sa_mask;                    // 執行期間阻塞的信號集
    int        sa_flags;                   // SA_* 旗標
    void     (*sa_restorer)(void);         // 過時欄位
};

五、信號發送 API

kill() 參數 pid 語義：

• >0：指定 PID 進程
• =0：同進程組所有進程
• <-1：指定進程組 ID (=-pid) 所有進程
• =-1：當前進程有權限發送的所有進程 (除 init)

六、信號集操作 (signal.h)

sigset_t set;
sigemptyset(&set);      // 清空
sigfillset(&set);       // 填滿所有信號
sigaddset(&set, SIGINT);  // 加入
sigdelset(&set, SIGINT);  // 移除
sigismember(&set, SIGINT); // 判斷成員

// 進程信號屏蔽字操作
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oldset);   // 阻塞
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, &oldset); // 解除阻塞
sigprocmask(SIG_SETMASK, &set, &oldset); // 設定

// 等待信號 (原子解除阻塞並等待)
sigsuspend(&mask);
sigwait(&set, &sig);
sigwaitinfo(&set, &info);
sigtimedwait(&set, &info, &timeout);

七、核心信號處理流程

1. 發送： kill() → do_send_sig_info() → 將信號加入目標任務 pending 鏈表 (實時信號排隊、標準信號僅標記)
2. 投遞： 進程從核心態返回用戶態前 (exit_to_usermode_loop()) 檢查 TIF_SIGPENDING 標誌
3. 處理： do_signal() → 依 ka_handler 決定：忽略/預設動作/呼叫處理函數
4. 處理函數執行： 構造 signal frame (ucontext_t、siginfo_t) → 切換到用戶堆疊 (SA_ONSTACK) → 執行 handler → 返回核心 sys_rt_sigreturn() → 恢復上下文

八、實時信號擴展細節 (POSIX.1b)

• sigqueue() 發送時攜帶 union sigval { int sival_int; void *sival_ptr; }
• 處理函數簽名：void handler(int sig, siginfo_t *info, void *ucontext)
• siginfo_t 關鍵欄位：si_signo、si_code、si_pid、si_uid、si_value (攜帶資料)、si_addr (SIGSEGV 故障位址)
• 安裝時需設定 SA_SIGINFO 旗標並使用 sa_sigaction
• 實時信號支援多次排隊，核心維護 struct sigqueue 鏈表

九、信號安全與最佳實務

• Async-signal-safe 函數： 僅在 handler 中呼叫 POSIX 規定的安全函數 (write、_exit、sigaction、sigprocmask 等)，嚴禁 malloc、printf、pthread_mutex_lock、非重入函數
• 全域變數： 僅存取 volatile sig_atomic_t 類型
• SA_RESTART： 讓被中斷的系統呼叫自動重啟 (read、write、wait 等)
• 信號與線程： 信號屬於進程，透過 pthread_sigmask() 控制各線程屏蔽字，特定線程可用 sigwait() 同步處理

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