Linuxにおけるシグナルの仕組みと実装

1. シグナルの基本概念

シグナルは、カーネルがユーザー空間のプロセスに送信する非同期通知機構であり、特定のイベント発生を知らせるために利用される。

1.1 シグナルの処理フロー

生成：カーネル、他のプロセス、またはハードウェア（例：MMUによる`SIGSEGV`）がシグナルを発生させる。
配信：カーネルが対象プロセスにシグナルを伝達し、処理を促す。
処理：プロセスがシグナルを受け取り、事前に定義された動作を実行する。

1.2 シグナルの発生源

ハードウェア異常：
- SIGSEGV：無効なメモリアクセス（セグメンテーション違反）
- SIGFPE：算術エラー（ゼロ除算など）
- SIGILL：無効な命令実行
端末操作：
- SIGINT：Ctrl+Cによる中断
- SIGQUIT：Ctrl+\による終了とコアダンプ生成
- SIGTSTP：Ctrl+Zによる一時停止
ソフトウェアイベント：
- SIGCHLD：子プロセスの状態変化（終了・停止）
- SIGPIPE：読み込み側が閉じられたパイプへの書き込み
- SIGALRM：タイマー（alarm/setitimer）の期限切れ
- SIGUSR1, SIGUSR2：ユーザー定義シグナル
他プロセスからの送信：kill()システムコール経由で発行

1.3 シグナルの処理戦略

デフォルト動作：多くのシグナルはプロセス終了を引き起こす。一部は無視（SIGCHLD）やコアダンプ（SIGQUIT）。
無視：内核に処理不要と通知（SIGKILL／SIGSTOPは無視不可）。
キャッチ：シグナルハンドラ関数を登録。到着時に処理を中断してハンドラを実行。

1.4 主要なシステムコール

signal()：簡易なハンドラ登録（非推奨、互換性劣る）
sigaction()：標準的かつ強力なハンドラ設定方法
kill()：指定プロセスへシグナル送信
alarm()：タイムアウト後にSIGALRMを発生
pause()：シグナル受信までプロセスを待機
sigemptyset(), sigaddset(), sigprocmask()：シグナルマスク管理

1.5 注意点

非同期性：任意のタイミングで到着可能
信頼性：標準シグナル（1-31）は不可靠（再発生時は無視）。リアルタイムシグナル（34-64）はキューイング可能
再入安全性：ハンドラ内ではwrite()や_exit()など、非同期信号安全な関数のみ使用可。malloc()やprintf()は避ける
volatile宣言：ハンドラとメインコード間の共有変数はvolatile修飾子を付与

2. シグナルの分類と用途

2.1 終了シグナル

シグナル	値	デフォルト	説明	捕獲/無視可否	コアダンプ
`SIGHUP`	1	終了	端末切断時、親プロセスグループに送信。リロード通知にも利用	是	否
`SIGINT`	2	終了	Ctrl+Cによる中止。前向きな終了を促す	是	否
`SIGQUIT`	3	コアダンプ	Ctrl+\で終了＋ダンプ生成。デバッグ用	是	是
`SIGTERM`	15	終了	`kill`のデフォルト。クリーンアップ可能な終了	是	否
`SIGKILL`	9	終了	強制終了。無視・捕捉不可。最後の手段	否	否

2.2 異常シグナル

シグナル	値	デフォルト	説明	捕獲/無視可否	コアダンプ
`SIGILL`	4	コアダンプ	無効な命令実行。実行ファイル破損など	是	是
`SIGTRAP`	5	コアダンプ	ブレークポイントやトレーストラップ。デバッガ用	是	是
`SIGABRT`	6	コアダンプ	プログラム自身が`abort()`呼出。アサート失敗でも発生	是	是
`SIGBUS`	7	コアダンプ	物理アドレス不正・アライメント違反	是	是
`SIGFPE`	8	コアダンプ	ゼロ除算・オーバーフロー	是	是
`SIGSEGV`	11	コアダンプ	最も一般的なメモリアクセス違反。ポインタ誤用の兆候	是	是

2.3 作業制御シグナル

シグナル	値	デフォルト	説明	捕獲/無視可否
`SIGSTOP`	17,19,23	停止	プロセス実行の一時停止。不可捕捉・不可無視	否
`SIGTSTP`	18,20,24	停止	Ctrl+Zによる停止。後で再開可能	是
`SIGCONT`	19,18,25	継続	停止したプロセスの再開。無視しても有効	是

2.4 I/O関連シグナル

シグナル	用途	推奨処理
`SIGPIPE`	パイプ断接後の書き込みエラー	無視（`SIG_IGN`）し、`EPIPE`エラーを検査
`SIGIO`	ファイルディスクリプタの準備完了通知	高負荷アプリでは`epoll`優先
`SIGURG`	帯外データ（OOB）処理	緊急コマンド受信用にハンドラ設置
`SIGCHLD`	子プロセスリソース回収	子プロセス終了時に`waitpid()`呼び出し必須

2.5 その他の重要シグナル

シグナル	値	デフォルト	説明	捕獲/無視可否
`SIGCHLD`	17,20,18	無視	子プロセスの終了・停止時、親に通知。リソース回収に必須	是
`SIGPIPE`	13	終了	読端が閉じられたパイプへの書き込み	是
`SIGALRM`	14	終了	`alarm()`や`setitimer()`によるタイマー切れ	是
`SIGUSR1`	10,30,16	終了	ユーザー定義1。用途はアプリケーションで定義	是
`SIGUSR2`	12,31,17	終了	ユーザー定義2。ログ切り替え・状態報告などに利用	是

3. 実装例

3.1 SIGPIPEの回避

ネットワークサーバーでクライアント切断後に応答しようとした場合、send()がSIGPIPEを送出しプロセスが終了する。

// 初期化時に無視
#include <signal.h>
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

// 以降、I/O関数はエラー返却
ssize_t sent = send(sockfd, data, len, MSG_NOSIGNAL);
if (sent == -1 && errno == EPIPE) {
    close(sockfd); // リソース解放
}

3.2 SIGIOによる非同期I/O

イベント駆動型の非同期処理を実現する。

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>

void io_callback(int sig, siginfo_t *info, void *context) {
    int fd = info->si_fd;
    int event = info->si_band;
    // ファイルディスクリプタの準備完了処理
}

int main() {
    struct sigaction sa = {0};
    sa.sa_sigaction = io_callback;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;

    sigaction(SIGIO, &sa, NULL);

    int fd = open("/dev/device", O_RDONLY);
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
    fcntl(fd, F_SETFL, O_ASYNC | fcntl(fd, F_GETFL));

    // 他の処理...
}

注：現代のネットワークアプリではepollの方が性能的に優れている。

3.3 SIGURGによる緊急コマンド受信

ネットワーク経由で「緊急停止」などの緊急指令を受信。

// 送信側
send(sockfd, "!", 1, MSG_OOB);

// 受信側
void urg_handler(int sig) {
    char urgent_data;
    recv(sockfd, &urgent_data, 1, MSG_OOB);
    // 緊急処理
}

// シグナル登録
signal(SIGURG, urg_handler);
fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());

3.4 SIGCHLDによる子プロセス管理

並列サーバーで子プロセスが終了した際にゾンビ化を防ぐ。

void child_reaper(int sig) {
    int saved_errno = errno;
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) {
        continue;
    }
    errno = saved_errno;
}

int main() {
    struct sigaction sa = {0};
    sa.sa_handler = child_reaper;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;

    sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);

    while(1) {
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            // 子プロセス処理
            exit(0);
        }
        // 親プロセスはループ継続
    }
}

タグ: linux シグナル C言語システムプログラミング非同期処理

9月26日 19:07 投稿

異端開発室