Python子进程信号同步问题：解决信号丢失致进程挂起方案

需求 #

实现一个Python子进程，循环执行以下逻辑：

• 初始化进程
• 等待父进程发送的SIGUSR1（start信号）
• 处理数据并写入共享内存
• 向父进程发送SIGUSR1（finish信号）
• 返回等待信号步骤，循环执行

初始实现代码 #

import signal
import os

signal_received = False

def signal_handler(signo, _):
    if signo == signal.SIGUSR1:
        signal_received = True

def main():
    global signal_received

    signal.signal(signal.SIGUSR1, signal_handler)

    while True:
        # solution attempt:
        # signal.sigsuspend(...)

        while not signal_received:
            signal.pause() 

        signal_received = False
        process()

        # solution attempt:
        # signal.pthread_sigmask(signal.SIG_BLOCK, [signal.SIGUSR1])

        os.kill(os.getppid(), signal.SIGUSR1)

问题分析 #

该实现存在信号丢失问题：如果父进程的SIGUSR1信号在while not signal_received检查之后、signal.pause()执行之前的短窗口内到达，信号会被处理但signal_received标记还未重置，导致后续signal.pause()永久挂起。

在C语言中，可通过sigmask与sigsuspend组合原子性地解除信号阻塞并等待，避免这个窗口，但Python标准库未提供sigsuspend接口。

自管道技巧的尝试（未解决） #

尝试用自管道技巧将信号事件转为IO事件，但子进程仍随机挂起——疑似信号发送时os.read(rfh, 1)已执行，导致信号处理函数未触发写入管道。

子进程代码 #

import signal
import os

rfh, wfh = os.pipe()

def signal_handler(signo, _):
    if signo == signal.SIGUSR1:
        os.write(wfh, b"\x00")

def main():
    signal.signal(signal.SIGUSR1, signal_handler)

    while True:
        os.kill(os.getppid(), signal.SIGUSR1)
        os.read(rfh, 1)
        # foo() (some processing)

if __name__ == "__main__":
    main()

父进程C代码 #

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

static volatile bool signal_received = false;

void handle(int signo, siginfo_t *, void *)
{
    if (signo == SIGUSR1)
        signal_received = true;
}

int main()
{
    // Setup signal handler
    struct sigaction act = {0};
    act.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_RESTART;
    act.sa_sigaction = &handle;
    sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        char path[] = "/usr/bin/python3";
        char *const argv[] = {"python3", "main.py", NULL};
        char *const env[] = {NULL};

        execve(path, argv, env);
    }

    sigset_t mask, oldmask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGUSR1);

    while (true)
    {
        static int iteration = 0;
        std::cout << iteration++ << std::endl;

        sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &oldmask);

        while (!signal_received)
            sigsuspend(&oldmask);

        signal_received = false;

        sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL);

        kill(pid, SIGUSR1);
    }

    return 0;
}

跨平台解决方案（适配macOS和Linux） #

通过signal.set_wakeup_fd将信号事件直接关联到管道，结合非阻塞管道配置，完美解决信号丢失问题：

import signal
import os
import fcntl

rfh, wfh = os.pipe()
fcntl.fcntl(wfh, fcntl.F_SETFL, os.O_NONBLOCK)

def main():
    signal.signal(signal.SIGUSR1, lambda *_: None)
    signal.set_wakeup_fd(wfh)

    while True:
        os.kill(os.getppid(), signal.SIGUSR1)
        os.read(rfh, 1)
        # 此处添加数据处理与共享内存写入逻辑

if __name__ == "__main__":
    main()

关键逻辑说明 #

1. signal.set_wakeup_fd(wfh)：Python会在收到信号时自动向该文件描述符写入一个字节（信号编号），无需手动在信号处理函数中写管道
2. 设置管道写端为非阻塞：避免信号处理时写入管道阻塞
3. 空信号处理函数：仅保留信号注册，实际事件通过管道IO感知

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jonas Müller