C 库函数 – sigwait()（保姆级教程）

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前言

在 C 语言编程中，信号（Signal）是操作系统与程序之间通信的重要机制。例如，按下 Ctrl+C 会触发 SIGINT 信号，而程序崩溃时会触发 SIGABRT。然而，在多线程程序中直接处理信号可能引发竞态条件或资源冲突。此时，C 库函数 – sigwait() 提供了一种安全、可控的解决方案。本文将从基础概念出发，结合代码示例，深入探讨 sigwait() 的原理、用法及实际场景。

信号处理的挑战：为什么需要 sigwait()?

传统的信号处理依赖 signal() 或 sigaction() 函数，通过注册信号处理函数（Signal Handler）来响应信号。但这类方法存在以下问题：

1. 非线程安全：信号处理函数在多线程中可能被任意线程触发，导致资源竞争。
2. 有限的执行环境：信号处理函数内不能调用大多数标准库函数（如 malloc()），否则可能导致程序崩溃。
3. 难以管理复杂逻辑：复杂的业务逻辑无法在信号处理函数中安全执行。

为解决这些问题，sigwait() 应运而生。它允许开发者将信号处理的逻辑转移到独立线程中，从而实现线程安全、可扩展的信号管理。

sigwait() 的基本语法与原理

函数原型

#include <signal.h>  
int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);  

• 参数 set：指向信号掩码（Signal Mask）的指针，表示要等待的信号集合。
• 参数 sig：接收被截获的信号编号的指针。
• 返回值：成功时返回 0，出错返回 -1（如 EINTR）。

核心机制

1. 信号阻塞：调用 sigwait() 的线程会将 set 中的信号加入自身的阻塞集合。这意味着这些信号不会被其他信号处理函数触发，而是由 sigwait() 直接捕获。
2. 主动等待：sigwait() 是一个阻塞调用，直到指定的信号到达时才会返回，并将信号编号存入 sig。

形象比喻

想象 sigwait() 如同一位信号守卫：

• 它“封锁”了指定的信号通道（阻塞信号），防止其他线程被意外中断。
• 当信号到达时，它会“接住”信号并通知调用线程，线程可以安全地处理后续逻辑。

使用步骤与代码示例

步骤 1：初始化信号掩码

sigset_t mask;  
sigemptyset(&mask);  // 清空信号集  
sigaddset(&mask, SIGINT);  // 添加 SIGINT 信号  
sigaddset(&mask, SIGTERM); // 添加 SIGTERM 信号  

解释：

• sigemptyset() 初始化一个空的信号集。
• sigaddset() 将具体信号（如 SIGINT、SIGTERM）加入掩码。

步骤 2：设置线程的阻塞集合

pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  
// 将当前线程的阻塞集合更新为 mask 中的信号  

注意：必须先通过 pthread_sigmask() 阻塞信号，否则 sigwait() 无法捕获这些信号。

步骤 3：启动等待信号的线程

void *signal_handler_thread(void *arg) {  
    int sig;  
    while (1) {  
        sigwait(&mask, &sig);  // 阻塞等待信号  
        switch (sig) {  
            case SIGINT:  
                printf("Received SIGINT (Ctrl+C)\n");  
                // 执行清理操作  
                break;  
            case SIGTERM:  
                printf("Received SIGTERM (kill command)\n");  
                break;  
            default:  
                printf("Unknown signal %d\n", sig);  
        }  
    }  
    return NULL;  
}  

关键点：

• 线程通过无限循环持续监听信号。
• 在 sigwait() 内部，信号的传递与处理完全线程安全。

完整示例代码

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

sigset_t mask;  
pthread_t handler_thread;  

void *signal_handler_thread(void *arg) {  
    int sig;  
    while (1) {  
        sigwait(&mask, &sig);  
        switch (sig) {  
            case SIGINT:  
                printf("Handling SIGINT...\n");  
                // 模拟清理操作  
                break;  
            case SIGTERM:  
                printf("Handling SIGTERM...\n");  
                break;  
        }  
    }  
    return NULL;  
}  

int main() {  
    // 初始化信号掩码  
    sigemptyset(&mask);  
    sigaddset(&mask, SIGINT);  
    sigaddset(&mask, SIGTERM);  

    // 阻塞当前线程的信号  
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  

    // 启动信号处理线程  
    if (pthread_create(&handler_thread, NULL, signal_handler_thread, NULL)) {  
        perror("pthread_create");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  

    // 主线程继续执行其他任务  
    while (1) {  
        printf("Main thread is running...\n");  
        sleep(1);  
    }  

    pthread_join(handler_thread, NULL);  
    return 0;  
}  

运行效果：

• 按下 Ctrl+C 时，主线程不受影响，而处理线程会输出 Handling SIGINT...。
• 发送 kill -TERM <PID> 命令时，同样会被安全捕获。

sigwait() 的典型应用场景

场景 1：优雅终止多线程程序

在复杂程序中，直接终止线程可能导致资源泄漏。通过 sigwait() 捕获 SIGTERM，可以触发程序的有序退出：

case SIGTERM:  
    cleanup_resources();  // 释放内存、关闭文件  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
    break;  

场景 2：异步事件驱动

例如，在服务器程序中，使用 sigwait() 监听 SIGUSR1，用于动态调整日志级别：

case SIGUSR1:  
    toggle_debug_logging();  
    break;  

常见问题与注意事项

问题 1：sigwait() 返回 EINTR

当线程被其他信号中断时，sigwait() 可能返回 EINTR。此时需重试调用：

while (sigwait(&mask, &sig) == -1 && errno == EINTR);  

问题 2：信号未被阻塞

若未调用 pthread_sigmask(SIG_BLOCK, ...)，sigwait() 将无法捕获信号。

问题 3：资源竞争

确保信号处理线程与其他线程共享的数据（如全局变量）使用互斥锁（Mutex）保护。

进阶技巧：与传统信号处理的对比

结论

通过 sigwait()，开发者可以将信号处理从危险的信号处理函数中解放出来，转移到可控的线程环境中。无论是优雅退出、事件驱动还是资源管理，sigwait() 都提供了更安全、灵活的解决方案。对于多线程编程，掌握 sigwait() 是迈向健壮程序设计的重要一步。

实践建议：

1. 总是配合 pthread_sigmask() 阻塞信号。
2. 在信号处理线程中避免长时间阻塞，以免影响其他信号的响应。
3. 对共享资源使用同步机制（如 pthread_mutex）。

通过本文的示例与分析，读者应能快速将 sigwait() 应用于实际项目中，提升程序的健壮性与可靠性。