C 库函数 – sigpending()（一文讲透）

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什么是信号？信号与进程的交互逻辑

在计算机系统中，进程与进程之间的通信方式多种多样，而信号（Signal）作为操作系统提供的一种异步通知机制，是 Unix/Linux 环境下最基础的进程间协作工具之一。想象一下，信号就像是一封突然插入进程工作队列的“紧急电报”，它可能触发进程执行特定操作，或者仅仅被记录为未读状态。这种机制使得进程可以在执行主任务的同时，处理外部或内部的突发事件。

信号的分类和处理方式决定了其行为特性：

• 标准信号：如 SIGINT（Ctrl+C）、SIGTERM（终止进程）、SIGKILL（强制终止）等，每个信号都有预设的默认处理方式。
• 自定义信号：开发者可以通过 sigaction() 函数为信号绑定特定处理函数，实现个性化逻辑。
• 阻塞与未决状态：当进程暂时不希望处理某个信号时，可以选择将其“挂起”，此时信号会进入未决队列（Pending Queue），等待后续处理。

sigpending() 函数的核心功能解析

函数原型与参数说明

sigpending() 是 C 标准库提供的用于查询当前进程信号未决状态的函数，其原型定义如下：

#include <signal.h>

int sigpending(sigset_t *set);

该函数返回值为 0 表示成功，若返回 -1 则表示发生错误。调用时需确保 set 参数指向的内存空间已正确初始化。

信号未决状态的比喻理解

可以把 sigpending() 的作用想象为“查看信箱中的未读邮件”：当进程因某种原因暂时无法处理某些信号（例如信号被阻塞或处于关键代码段），这些信号并不会消失，而是被系统暂存到未决队列中。sigpending() 的功能就是将当前所有未被处理的信号“抄录”到指定的信号集中，供开发者检查或调试使用。

函数行为的三个关键点

1. 仅返回未决信号：无论信号是否被阻塞，只要处于未决状态就会被记录。例如，即使 SIGINT 被阻塞，只要它被触发但未被处理，就会出现在结果中。
2. 不改变信号状态：与 sigprocmask() 不同，sigpending() 只是“观察”信号状态，不会修改进程的信号掩码或未决队列。
3. 线程安全特性：在多线程程序中，sigpending() 返回的是整个进程的未决信号集合，而非单个线程的信号状态。

sigpending() 的典型应用场景

调试信号处理逻辑

当开发者发现信号未被预期处理时，可以通过 sigpending() 检查信号是否停留在未决队列。例如：

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

void check_pending_signals() {
    sigset_t pending_set;
    sigpending(&pending_set);
    
    if (sigismember(&pending_set, SIGINT)) {
        printf("SIGINT is pending.\n");
    }
}

此函数可以嵌入到程序的关键位置，帮助定位信号未被处理的原因是否为阻塞设置或处理函数未被触发。

多线程环境的信号状态同步

在多线程程序中，主线程可能需要知道其他线程是否正在等待特定信号。例如：

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

void* thread_func(void *arg) {
    // 线程阻塞等待信号
    sigsuspend(&empty_mask);
    return NULL;
}

void check_thread_signals() {
    sigpending(&pending_set);
    if (sigismember(&pending_set, SIGUSR1)) {
        printf("SIGUSR1 is waiting to be handled.\n");
    }
}

通过定期检查未决信号，主线程可以协调线程间的工作进度。

实现信号驱动的事件循环

在事件驱动架构中，开发者可以结合 sigpending() 与 select() 等系统调用，构建更复杂的响应机制：

while (1) {
    sigpending(&pending_set);
    if (sigismember(&pending_set, SIGALRM)) {
        handle_timeout();
    }
    // 其他事件处理逻辑
    sleep(1);
}

实战案例：监控信号状态的完整程序

案例目标

编写一个程序，实现以下功能：

1. 启动后持续监控 SIGINT 和 SIGTERM 的未决状态
2. 当检测到信号未决时，输出当前时间戳和信号类型
3. 按下 Ctrl+C 或发送 SIGTERM 可终止程序

完整代码示例

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

#define CHECK_INTERVAL 2  // 检查间隔秒数

void check_signals() {
    sigset_t pending;
    sigpending(&pending);
    
    if (sigismember(&pending, SIGINT)) {
        printf("SIGINT pending at %s", ctime(&now));
    }
    if (sigismember(&pending, SIGTERM)) {
        printf("SIGTERM pending at %s", ctime(&now));
    }
}

int main() {
    struct timespec timeout = { CHECK_INTERVAL, 0 };
    sigset_t block_set;
    
    // 阻塞SIGINT和SIGTERM，避免默认动作
    sigemptyset(&block_set);
    sigaddset(&block_set, SIGINT);
    sigaddset(&block_set, SIGTERM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_set, NULL);
    
    while (1) {
        check_signals();
        nanosleep(&timeout, NULL);
    }
    
    return 0;
}

代码解析与运行说明

1. 信号阻塞设置：通过 sigprocmask() 将 SIGINT 和 SIGTERM 加入阻塞掩码，确保它们不会触发默认的终止行为。
2. 周期性检查：使用 nanosleep() 实现定时检查，每 2 秒调用 check_signals() 检查未决信号。
3. 时间戳输出：通过 ctime() 将时间戳格式化为可读字符串，帮助定位信号触发时刻。

运行此程序后，若发送 kill -INT <PID> 或 kill -TERM <PID>，控制台会显示对应信号的未决状态，而程序不会立即终止。按 Ctrl+C 时，由于信号被阻塞，程序会持续运行直到开发者手动停止。

使用 sigpending() 的注意事项

线程安全与上下文限制

• 多线程环境：sigpending() 返回的是整个进程的信号集合，而非特定线程的信号状态。若需查询单线程信号，需结合 pthread_sigmask() 等函数。
• 信号处理函数中使用：在信号处理函数内部调用 sigpending() 时需谨慎，因为此时部分信号可能已被系统临时解除阻塞。

信号掩码的影响

进程的信号掩码（Signal Mask）决定了哪些信号会被阻塞。即使某个信号处于未决状态，若未被解除阻塞，它也无法被处理。例如：

sigset_t mask;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGUSR1);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  // 阻塞SIGUSR1

// 此时发送SIGUSR1
sigpending(&pending);  // SIGUSR1 会出现在pending_set中

与 sigprocmask() 的配合使用

当需要同时查询信号掩码和未决信号时，可以结合两个函数：

sigset_t mask, pending;
sigprocmask(0, &mask, NULL);  // 获取当前掩码
sigpending(&pending);        // 获取未决信号

通过对比两个集合，可以判断哪些信号处于“被阻塞但未处理”状态。

总结与进阶建议

sigpending() 是调试和管理信号系统的重要工具，尤其在需要精确控制信号处理流程的场景中不可或缺。通过本文的讲解和案例演示，读者可以掌握以下核心要点：

• 信号未决状态的查询方法
• 如何结合信号掩码实现复杂逻辑
• 在多线程环境中的信号状态管理

对于希望深入学习的开发者，建议进一步探索以下内容：

1. 信号安全函数列表：了解在信号处理函数中可安全调用的函数
2. 实时信号扩展：学习 sigqueue() 等实时信号相关函数
3. 信号与系统调用交互：研究 siginterrupt() 等函数对系统调用的影响

通过实践和理论的结合，开发者可以更好地利用 C 库函数 – sigpending() 等工具，构建出更健壮、灵活的信号处理系统。