C 語言進程間通訊：信號機制實作詳解 (kill/signal/sigaction)

C 語言進程間通訊：信號機制實作詳解

信號是 Unix/Linux 進程間異步通訊的基礎機制，類似軟體中斷。本文從 signal() 歷史介面進階到現代 sigaction()，結合 kill() 發送、fork() 父子進程協作，完整演示信號發送、捕捉、處理流程，並分析 signal() 的可重入性與競態條件缺陷。

核心系統呼叫

1. kill() - 發送信號

#include 
int kill(pid_t pid, int signo);

• pid > 0：發送給指定 PID 進程
• pid == 0：發送給同進程組所有進程
• pid < -1：發送給進程組 ID 為 -pid 的所有進程
• signo：信號編號 (如 SIGUSR1, SIGALRM, SIGTERM)
• 成功返回 0，失敗返回 -1 (設定 errno)

2. signal() - 舊式信號處理註冊 (不推薦新代碼使用)

void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);

• 註冊 func 為 signo 的處理函數
• 回傳前一個處理函數指標
• 缺陷：處理函數執行時系統可能重置為預設動作 (Unix V7 行為)、不可移植、不支援信號遮罩、存在競態條件

3. sigaction() - 現代標準介面 (POSIX.1 推薦)

struct sigaction {
    void     (*sa_handler)(int);
    void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t   sa_mask;
    int        sa_flags;
    void     (*sa_restorer)(void);
};

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

• sa_handler：處理函數 (同 signal())
• sa_sigaction：擴展處理函數 (啟用 SA_SIGINFO 旗標)，可獲取 siginfo_t 詳細資訊
• sa_mask：處理函數執行期間**額外阻塞**的信號集
• sa_flags：SA_RESTART (自動重啟被中斷系統呼叫)、SA_SIGINFO、SA_NOCLDSTOP 等

實作範例：父進程發送 SIGALRM，子進程捕捉處理

版本 A：使用 signal() (教學示範，含缺陷)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void sig_handler(int signo) {
    printf("子進程收到信號 %d\n", signo);
}

int main(void) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) { perror("fork"); return 1; }

    if (pid > 0) {                    // 父進程
        printf("父進程 %d 發送 SIGALRM 給子進程 %d\n", getpid(), pid);
        sleep(1);                     // 確保子進程已註冊處理函數
        kill(pid, SIGALRM);
        wait(NULL);
    } else {                          // 子進程
        signal(SIGALRM, sig_handler); // 註冊處理函數
        printf("子進程 %d 等待信號...\n", getpid());
        pause();                      // 暫停等待信號
    }
    return 0;
}

版本 B：使用 sigaction() (生產環境標準)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void sig_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context) {
    printf("子進程 %d 收到信號 %d (發送者 PID: %d)\n", getpid(), signo, info->si_pid);
}

int main(void) {
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_sigaction = sig_handler;
    act.sa_flags = SA_SIGINFO;        // 使用擴展處理函數
    sigemptyset(&act.sa_mask);

    if (sigaction(SIGALRM, &act, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) { perror("fork"); return 1; }

    if (pid > 0) {
        printf("父進程 %d 發送 SIGALRM 給子進程 %d\n", getpid(), pid);
        sleep(1);
        kill(pid, SIGALRM);
        wait(NULL);
    } else {
        printf("子進程 %d 等待信號 (sigaction 版)...\n", getpid());
        pause();
    }
    return 0;
}

執行結果對比

# signal() 版本 (可能因競態條件漏收信號)
父進程 3208 發送 SIGALRM 給子進程 3209
子進程 3209 等待信號...
子進程收到信號 14

# sigaction() 版本 (可靠、可獲取發送者資訊)
父進程 2611 發送 SIGALRM 給子進程 2612
子進程 2612 等待信號 (sigaction 版)...
子進程 2612 收到信號 14 (發送者 PID: 2611)

signal() 競態條件實測與分析

若子進程註冊處理函數 **晚於** 父進程發送信號：

// 子進程調換順序
printf("子進程 %d 等待信號...\n", getpid());  // 先印訊息
signal(SIGALRM, sig_handler);                 // 再註冊 (延遲)
pause();

結果：子進程直接退出，**未執行處理函數**，父進程 wait() 正常返回。

原因：父進程 kill() 發送信號時，子進程尚未完成 signal() 註冊，信號依預設動作處理 (SIGALRM 預設為終止進程)。

sigaction() 同樣存在此問題，解決方案：

1. 父進程 sleep() / usleep() 延遲發送 (不可靠)
2. 雙向管道/Eventfd 同步：子進程註冊完成後通知父進程
3. 使用 signalfd() (Linux 專用) 將信號轉為檔案描述符讀取

信號處理函數編寫鐵律 (Async-Signal-Safe)

**只能呼叫 Async-Signal-Safe 函數** (man 7 signal-safety)：

最佳實踐：處理函數僅設定 volatile sig_atomic_t 旗標，主迴輪檢查旗標執行複雜邏輯。

常用信號一覽表

總結

• 新代碼**務必使用 sigaction()**，避免 signal() 可移植性與可靠性問題
• 信號處理函數**極簡原則**：只修改 volatile sig_atomic_t 變數
• 父子進程同步**不可依賴 sleep()**，使用管道/Eventfd 明確同步
• 複雜 IPC 需求優先考慮 **Socket/共享記憶體/訊息佇列**，信號適合簡單通知

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