C 库函数 – sigwait()（长文讲解）

C 库函数 – sigwait() 的核心机制解析

在多线程程序中，信号（Signal）是一种异步通知机制，用于通知进程或线程发生了某些重要事件，比如用户按下 Ctrl + C、子进程退出、定时器到期等。然而，信号的处理方式在多线程环境中变得复杂——默认情况下，信号会发送给整个进程，而哪个线程接收它，取决于内核的调度策略，这可能导致不可预测的行为。

为了解决这一问题，C 标准库提供了一个专门用于多线程环境的函数：sigwait()。它允许线程主动“等待”某个信号的到来，而不是被动地通过信号处理函数响应。这种方式更安全、可预测，是编写健壮多线程程序的重要工具。

想象一下，你在一个繁忙的餐厅里，服务员（线程）随时可能被叫去处理顾客（信号）的点单。如果所有服务员都对“顾客叫号”没有明确分工，就可能出现抢着服务或无人响应的情况。而 sigwait() 就像是为每个服务员分配一个专属的“呼叫铃”——只有当这个铃响时，他才去处理，避免了混乱。

为什么需要 sigwait()？信号处理的痛点

在传统的单线程程序中，我们通常使用 signal() 或 sigaction() 注册一个信号处理函数。当信号到来时，内核会中断当前执行流程，跳转到处理函数执行。

但这种机制在多线程程序中存在明显缺陷：

1. 信号可能被任意线程接收：如果多个线程都注册了相同的信号处理函数，内核会随机选择一个线程来处理。这导致逻辑混乱。
2. 不可重入问题：信号处理函数中如果调用了非异步信号安全的函数（如 printf、malloc），可能导致程序崩溃。
3. 无法精确控制信号处理时机：你无法在某个线程中“主动等待”信号，只能被动响应。

sigwait() 正是为了解决这些问题而生。它允许你显式地指定某个线程来等待特定信号，从而实现线程间信号的“主动拉取”机制。

sigwait() 函数原型与参数详解

sigwait() 的函数原型如下：

#include <signal.h>

int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);

• 参数 set：指向一个信号集（sigset_t 类型），表示当前线程希望等待哪些信号。你可以使用 sigemptyset() 清空集合，sigaddset() 添加特定信号。
• 参数 sig：输出参数，用于接收实际被触发的信号编号。
• 返回值：成功返回 0，失败返回错误码（如 EINVAL、EINTR）。

注意：sigwait() 会阻塞当前线程，直到信号集中的某个信号到达。

信号集操作函数介绍

在使用 sigwait() 之前，你需要先构建一个信号集。常用的信号集操作函数包括：

• sigemptyset(sigset_t *set)：清空信号集。
• sigaddset(sigset_t *set, int sig)：向信号集中添加一个信号。
• sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)：设置或获取进程的信号屏蔽字。

这些函数是构建信号集的基础，理解它们对掌握 sigwait() 至关重要。

实际案例：使用 sigwait() 实现线程安全的 Ctrl + C 捕获

下面我们通过一个完整示例，展示如何在多线程程序中使用 sigwait() 安全捕获 SIGINT（即 Ctrl + C）。

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

// 全局标志，用于通知主线程退出
volatile int should_exit = 0;

// 信号处理线程函数
void* signal_handler_thread(void* arg) {
    sigset_t set;
    int sig;

    // 1. 初始化信号集，清空
    sigemptyset(&set);

    // 2. 添加 SIGINT 信号到等待集（即 Ctrl + C）
    sigaddset(&set, SIGINT);

    // 3. 将信号集设置为当前线程的屏蔽集，防止信号被意外处理
    // 注意：这是关键步骤，确保信号不会被其他方式处理
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

    // 4. 等待信号到来，阻塞在此处
    // 当 Ctrl + C 按下时，此函数返回，sig 会被填充为 SIGINT
    if (sigwait(&set, &sig) == 0) {
        printf("【信号线程】收到信号：%d (%s)\n", sig, sig == SIGINT ? "SIGINT" : "未知");
        should_exit = 1;  // 设置退出标志
    } else {
        perror("sigwait 失败");
    }

    return NULL;
}

// 工作线程函数
void* worker_thread(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    printf("【工作线程】线程 %d 开始运行...\n", id);

    while (!should_exit) {
        printf("【工作线程】线程 %d 正在执行任务...\n", id);
        sleep(2);  // 模拟耗时任务
    }

    printf("【工作线程】线程 %d 收到退出信号，准备退出。\n", id);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t sig_thread, worker1, worker2;
    int tid1 = 1, tid2 = 2;

    // 1. 创建信号处理线程
    if (pthread_create(&sig_thread, NULL, signal_handler_thread, NULL) != 0) {
        perror("创建信号线程失败");
        exit(1);
    }

    // 2. 创建两个工作线程
    if (pthread_create(&worker1, NULL, worker_thread, &tid1) != 0) {
        perror("创建工作线程1失败");
        exit(1);
    }

    if (pthread_create(&worker2, NULL, worker_thread, &tid2) != 0) {
        perror("创建工作线程2失败");
        exit(1);
    }

    // 3. 主线程等待两个工作线程结束
    pthread_join(worker1, NULL);
    pthread_join(worker2, NULL);

    // 4. 等待信号线程结束（通常不会主动退出，但可以等待）
    pthread_join(sig_thread, NULL);

    printf("程序正常退出。\n");
    return 0;
}

代码详解

• 信号集构建：我们使用 sigemptyset() 清空信号集，再用 sigaddset() 添加 SIGINT。
• 信号屏蔽：调用 sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL) 将信号集设为屏蔽集，确保信号不会被其他线程处理，只能由 sigwait() 捕获。
• 线程分工：信号线程专门负责等待 SIGINT，工作线程只负责任务处理。这种职责分离非常清晰。
• 退出机制：通过 should_exit 共享变量实现优雅退出，避免强制终止。

运行此程序后，按下 Ctrl + C，你会看到信号线程输出“收到信号”，随后所有线程逐步退出，程序安全结束。

常见错误与最佳实践

在使用 sigwait() 时，开发者容易犯以下几个错误：

最佳实践建议：将 sigwait() 放在专用线程中执行，避免在主线程中阻塞；信号集应提前构建并屏蔽，确保线程安全。

与其他信号处理方式的对比

由此可见，sigwait() 是多线程程序中处理信号的首选方案，尤其适合需要精确控制信号接收时机与线程的场景。

总结与进阶建议

C 库函数 – sigwait() 是一个多线程编程中不可或缺的工具。它通过“主动等待”机制，解决了传统信号处理在多线程环境下的不确定性问题。掌握它，意味着你可以编写出更安全、更可控的并发程序。

在实际项目中，建议：

• 将 sigwait() 封装为一个独立的信号管理模块；
• 所有与信号相关的线程都使用 sigwait() 而非信号处理函数；
• 在构建信号集时，使用 sigemptyset() 和 sigaddset()，避免硬编码；
• 注意信号集的屏蔽与恢复，防止信号丢失。

如果你正在开发一个需要处理用户中断、定时任务或子进程状态的多线程应用，sigwait() 绝对值得你投入时间学习和使用。它虽不显眼，却是构建稳定系统的“隐形守护者”。