Linux 系统中，如何处理信号以避免竞态条件并确保程序稳定性？

在 Unix/Linux 系统中，处理信号时避免竞态条件（Race Conditions）并确保程序稳定性需要遵循关键原则和技巧。以下是核心方法：

1. 保持信号处理函数（Signal Handler）简单

• 仅设置标志位 ：在信号处理函数中只修改 volatile sig_atomic_t 类型的全局标志（如 volatile sig_atomic_t exit_flag = 0;），该类型保证读写操作的原子性。
• 避免调用非异步安全函数 ：禁止在信号处理函数中使用 printf、malloc、free 等可能破坏全局状态的函数。

2. 使用 sigaction 替代 signal

• 通过 sigaction 设置信号处理，启用关键标志：

  struct sigaction sa;
  sa.sa_handler = handler;  // 信号处理函数
  sigemptyset(&sa.sa_mask);
  sa.sa_flags = SA_RESTART; // 自动重启被中断的系统调用
  sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

• sa_mask：阻塞其他信号，防止处理函数被嵌套中断。

• SA_RESTART ：自动重启被信号中断的慢速系统调用（如 read、write）。

3. 阻塞信号以保护临界区

• 在关键代码段（如修改全局数据）前阻塞信号：

  sigset_t mask;
  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGINT);
  sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL); // 阻塞 SIGINT
  
  /* 临界区代码（安全修改全局数据） */
  
  sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL); // 解除阻塞

• 避免信号在临界区内被处理，导致数据不一致。

4. 同步等待信号：sigwait 或 sigsuspend

• 在主循环中同步处理信号（避免异步问题）：

  sigset_t wait_set;
  sigemptyset(&wait_set);
  sigaddset(&wait_set, SIGINT);
  int sig;
  while (1) {
      sigwait(&wait_set, &sig); // 阻塞直到信号到达
      handle_signal_safely();   // 安全处理信号（非异步上下文）
  }

5. 使用自管道（Self-Pipe）技巧

• 将信号转换为 I/O 事件，通过管道通知主事件循环：
  1. 创建管道：pipe(self_pipe)
  2. 在信号处理函数中写入管道：write(self_pipe[1], "X", 1)
  3. 主循环通过 select/poll 监听管道读取端，安全处理信号逻辑。

6. Linux 特有：signalfd

• 将信号转换为文件描述符事件，整合到 I/O 多路复用中：

  sigset_t mask;
  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGINT);
  sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL); // 先阻塞信号
  
  int sfd = signalfd(-1, &mask, 0);    // 创建 signalfd
  // 通过 read(sfd, ...) 或 epoll 处理信号

7. 原子操作与内存屏障

• 对全局标志使用原子操作（C11 stdatomic.h 或 GCC __atomic 内置函数）：

  _Atomic int flag = 0;
  // 信号处理函数中：
  __atomic_store_n(&flag, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);

8. 处理 EINTR 错误

• 检查系统调用返回值，对 EINTR 显式重试：

  while ((n = read(fd, buf, size)) == -1 && errno == EINTR) {
      // 被信号中断，重试
  }

关键原则总结

方法	适用场景	优势
自管道	事件驱动程序（如 epoll）	避免异步处理，整合到主循环
sigwait	专用信号处理线程	同步处理，无竞态
signalfd	Linux 专用	与 I/O 事件统一处理
阻塞信号	保护临界区	简单有效，防止数据损坏
原子标志	单标志位通知	极低开销，适合高性能场景

示例：安全信号处理流程

#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

volatile sig_atomic_t flag = 0;

void handler(int sig) {
    flag = 1;  // 仅设置原子标志
}

int main() {
    // 设置信号处理
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = SA_RESTART;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    while (1) {
        sleep(1);  // 模拟工作
        if (flag) {
            flag = 0;
            printf("安全处理信号逻辑（不在异步上下文中）\n");
        }
    }
    return 0;
}

遵循这些实践可显著减少信号导致的竞态条件，提升程序的健壮性。核心思想是：最小化信号处理函数的复杂性，通过同步机制或事件转换将信号处理移至安全上下文。