APUE 訊號機制完整指南：從基本概念到可靠訊號與實戰應用

Unix 環境高級編程（APUE）第 10 章：訊號深度解析

訊號是 Unix 系統中進程間非同步通訊的基本機制，模擬硬體中斷在軟體層實現。本章涵蓋訊號語義、不可靠/可靠訊號、訊號集、sigaction、setjmp/longjmp、定時器、流量控制等核心內容。

1. 訊號基礎與分類

• 標準訊號 (1-31)：SIGINT(Ctrl+C)、SIGQUIT(Ctrl+\)、SIGCHLD(子進程狀態變化)、SIGALRM(定時器)、SIGKILL/SIGSTOP(不可捕捉/忽略)
• 即時訊號 (34-64)：支援排隊、不丟失、優先級語義
• 五種預設動作：終止、終止+Core Dump、忽略、停止、繼續

2. signal() 與其缺陷

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

缺陷：舊版 Unix 執行處理函數前會重置為預設動作，導致短暫窗口期再次收到同一訊號會觸發預設動作（競態條件）。且無法阻塞其他訊號。

3. 可靠訊號機制：mask 與 pending 位圖

核心維護兩個位圖：

• mask：1=允許遞送，0=阻塞
• pending：1=已送達待處理，0=無

進程從核心態返回用戶態前，執行 mask & pending，非零則觸發處理。特性：

1. 阻塞訊號：對應 mask 位設 0
2. 遞送延遲：最長 ~10ms (等待排程)
3. 標準訊號不排隊：pending 為位圖，多次送達僅保留一次
4. 處理函數嵌套：新訊號到達可中斷當前處理函數
5. 不可在處理函數中 longjmp：會遺留 mask 狀態

4. 關鍵系統呼叫

5. 可重入函數與訊號處理安全

• 所有系統呼叫均為可重入
• 標準庫函數若有 _r 後綴版本 (如 strerror_r) 則原版不可重入
• 處理函數中僅使用可重入函數、單純計算、volatile 旗標變數

6. 實戰範例：流量控制 (Token Bucket)

使用 SIGALRM 定期填充 token，pause/sigsuspend 等待 token 可用：

static volatile int token = 0;
void alarm_handler(int s) { alarm(1); if (token < MAX) token++; }
while (token <= 0) { sigsuspend(&mask); } // 原子等待
token--; // 消費 token 進行讀寫

7. setjmp / sigsetjmp / longjmp

sigsetjmp(env, 1) 儲存訊號遮罩，siglongjmp 恢復。限制：只能跳回被中斷的函數，否則段錯誤。

8. system() 與訊號

呼叫 system 前必須：阻塞 SIGCHLD、忽略 SIGINT/SIGQUIT，避免干擾 shell 子進程。

9. 即時訊號優勢

• 鏈結串列實現，支援排隊不丟失
• 先到先服務，可傳遞資料 (sigqueue + sa_sigaction)
• 優先級語義：高優先級先遞送

掌握訊號機制是編寫健壯 Unix 系統程式、守護進程、高併發伺服器的基石。